El Núcleo Atómico - Index | QuimiZiencia · Modelo Atómico de Rutherford (pág. 11) 2.- Estudio...
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EL NÚCLEO ATÓMICO Antonio Zaragoza López Página 1 El Núcleo Atómico Japón vuelve a la energía nuclear tras el desastre de Fukushima El país nipón reabre este martes uno de los 48 reactores paralizados desde 2011 MACARENA VIDAL LIY Tomioka (Fukushima) 10 AGO 2015 - 00:28 CEST88 Japón se prepara para un proceso sin precedentes: la vuelta al uso de la energía nuclear tras el parón absoluto consecuencia de la tragedia de Fukushima hace cuatro años. Aunque otros países han vivido ya la experiencia de reiniciar un reactor apagado, en ninguna parte el proceso ha alcanzado las dimensiones de Japón. Mañana, el país tiene previsto encender el primer reactor de la central de Sendai, en Kyushu, al sur del país. El primer ministro, Shinzo Abe, planea que le sigan muchos más. Su objetivo es que en 2030 la nuclear represente entre el 22% y el 24% de la cesta energética nipona. Sin embargo, la mayoría de los ciudadanos está en contra. Y ninguno más que los que dejaron sus hogares precipitadamente aquel fatídico 11 de marzo. “Es como quemarse y, pese a eso, volver a poner la mano en el fuego. Ya saben que es peligroso. Este primer ministro no piensa en las próximas generaciones, solo quiere el beneficio a corto plazo”, opina Kazawa Makoto, de 69 años. Antes del terremoto y tsunami que precipitaron el accidente de la central nuclear de Fukushima Daiichi, tenía una planta para secar pescado que empleaba a 18 personas. Gracias a un préstamo oficial ha vuelto a empezar de manera mucho más modesta en Yotsukura, a unos 40 kilómetros de la central y unos 200 al norte de Tokio, pero no consigue cubrir gastos. “Apenas vienen dos o tres personas diarias a la tienda. Y vender fuera es imposible, nadie quiere ni oír hablar de productos que vengan de Fukushima”. Makii Sugahara, de 76 años, está entre los 120.000 desplazados que aún viven en alojamientos provisionales. Realojada tras el accidente en
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EL NÚCLEO ATÓMICO
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El Núcleo Atómico
Japón vuelve a la energía nuclear tras el desastre de
Fukushima
El país nipón reabre este martes uno de los 48 reactores paralizados
desde 2011
MACARENA VIDAL LIY Tomioka (Fukushima) 10 AGO 2015 -
00:28 CEST88
Japón se prepara para un proceso sin precedentes: la vuelta al uso de
la energía nuclear tras el parón absoluto consecuencia de la tragedia de
Fukushima hace cuatro años. Aunque otros países han vivido ya la
experiencia de reiniciar un reactor apagado, en ninguna parte el
proceso ha alcanzado las dimensiones de Japón. Mañana, el país tiene
previsto encender el primer reactor de la central de Sendai, en
Kyushu, al sur del país. El primer ministro, Shinzo Abe, planea que le
sigan muchos más. Su objetivo es que en 2030 la nuclear represente
entre el 22% y el 24% de la cesta energética nipona. Sin embargo, la
mayoría de los ciudadanos está en contra. Y ninguno más que los que
dejaron sus hogares precipitadamente aquel fatídico 11 de marzo.
“Es como quemarse y, pese a eso, volver a poner la mano en el fuego.
Ya saben que es peligroso. Este primer ministro no piensa en las
próximas generaciones, solo quiere el beneficio a corto plazo”, opina
Kazawa Makoto, de 69 años. Antes del terremoto y tsunami que
precipitaron el accidente de la central nuclear de Fukushima Daiichi,
tenía una planta para secar pescado que empleaba a 18 personas.
Gracias a un préstamo oficial ha vuelto a empezar de manera mucho
más modesta en Yotsukura, a unos 40 kilómetros de la central y unos
200 al norte de Tokio, pero no consigue cubrir gastos. “Apenas vienen
dos o tres personas diarias a la tienda. Y vender fuera es imposible,
nadie quiere ni oír hablar de productos que vengan de Fukushima”.
Makii Sugahara, de 76 años, está entre los 120.000 desplazados que
aún viven en alojamientos provisionales. Realojada tras el accidente en
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Hisanohama, a 35 kilómetros de la central, está de acuerdo con
Makoto. “Por mucho que se diga que económicamente es necesario,
prefiero que no se vuelva a la energía nuclear. Si se repite un incidente,
el precio es muy alto”, indica en la tienda de su amiga Erui Sato, en
una calle comercial de módulos prefabricados, la primera de la zona y
que se ha convertido en el centro de reuniones de los evacuados. “Era
necesario crear un área de intercambio social. Antes no había otra cosa
que hacer y la gente se quedaba en casa a llorar”, explica.
El precio al que alude Sugahara es visible apenas a una treintena de
kilómetros. En la zona de exclusión en torno a la central accidentada,
de 20 kilómetros a la redonda, Tomioka fue entonces uno de los lugares
más afectados y hoy es una de las localidades más retrasadas en la
reconstrucción. Aún pueden verse en algunas de sus calles —coches
volcados, casas destrozadas— las cicatrices del tsunami, que llegó aquí
con olas de 6 metros.
En todo el pueblo, donde antes habitaban 16.000 personas, solo los
grillos interrumpen un silencio de tumba. Y la maleza es la solitaria
habitante de unas casas donde unas bicicletas infantiles en un jardín,
unos cacharros de cocina en una ventana son los únicos indicios de que
hubo una vida corriente. Miles de enormes bolsas negras se acumulan
en los espacios públicos. Guardan el humus, ramaje y otros residuos
radiactivos que empleados del Gobierno local, en uniforme
antiradiación, van apilando cuidadosamente en descampados, a la
espera de que se terminen de construir los basureros radiactivos que
planea el Gobierno para la zona.
La Autoridad Reguladora de lo Nuclear (NRA) japonesa asegura que
se tomarán todas las precauciones con la vuelta al uso de la energía
atómica. “Un desastre como el que ocurrió en Fukushima no se
repetirá”, ha asegurado su director, Shunichi Tanaka, al diarioNikkei
Shimbun. El organismo, establecido en 2012, ha
impuesto nuevos estándares de seguridad mucho más rígidos, que
incluyen el establecimiento de una serie de fuentes de energía
alternativas y provisiones contra los casos más extremos de terremoto
o tsunami.
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Si todo transcurre según lo previsto, el primer reactor de Sendai, de
890 megavatios, reanudará las operaciones comerciales en septiembre.
El proceso se repetirá en octubre con el segundo. De los 48 reactores
nucleares que había en Japón, y que cerraron gradualmente tras el
peor incidente nuclear desde el de Chernóbil en 1986, 25 en 15 plantas
han solicitado reabrir. Otros cinco se han declarado obsoletas. Tan
solo cinco han recibido el visto bueno de la NRA por el momento,
aunque los tribunales han paralizado la puesta en marcha de uno de
ellos.
El Gobierno japonés alega que la energía nuclear es imprescindible
para la economía del país. Importa el 90% del petróleo que consume y,
aunque paliado por los bajos precios del crudo, desde el desastre
nuclear el gasto en energía ha creado un fuerte déficit en la balanza
comercial, que en julio se situaba en los 1,73 billones de yenes. Su plan
a largo plazo prevé que para 2030 esta energía cubra casi una cuarta
parte de las necesidades del país. En 2011 representaba el 39%.
“Somos un país con pocos recursos energéticos. Necesitamos alcanzar
un equilibrio entre el coste, la seguridad y el respeto al medio
ambiente”, apunta Masakazu Toyoda, presidente del Instituto de
Economía de la Energía y partidario del reencendido. El sector
nuclear, asegura, ahorró cerca de 33 billones de yenes a Japón en
importación de energía, un ahorro que se está dilapidando al ritmo de
3,6 billones de yenes anuales en compras de petróleo en el exterior por
año de parón. Su uso también contribuirá a que Japón pueda cumplir
sus objetivos de reducción de emisiones, alega.
Las voces en contra alegan que los ciudadanos y las empresas ya se han
acostumbrado a usar menos electricidad. “Se ha demostrado que
ahorrar energía no equivale a perder calidad de vida”, sostiene
Tetsunari Iida, del Instituto para Políticas Sostenibles de Energía.
Aunque la gran preocupación de los ciudadanos es la seguridad. En el
caso de Sendai, alegan falta de claridad en los planes de evacuación o
sobre la actividad volcánica en la zona. Es una incógnita también cómo
responderán los reactores tras una inactividad prolongada. Según la
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Asociación Nuclear Mundial, de 14 reactores que volvieron a funcionar
tras cuatro años de paro en algún lugar del mundo, todos padecieron
fallos técnicos o apagados de emergencia.
Contenido Temático
1.- Repaso a la estructura Atómica (pág. 5)
1.1.- Modelo Atómico de Thonsom (pág. 10)
1.2.- Modelo Atómico de Rutherford (pág. 11)
2.- Estudio del Núcleo Atómico (pág. 15)
2.1.- Forma y tamaño del Núcleo (pág. 15)
2.2.- Componentes del Núcleo Atómico (pág. 16)
2.3.- Partículas y Antipartículas (pág. 27)
2.4.- Antimateria (pág. 32)
2.5.- Fuerzas de Interacción Nuclear (pág. 36)
2.5.1.- Fuerza Nuclear Fuerte (pág. 38)
2.5.2.- Fuerza Nuclear Débil (pág. 42)
2.6.- Energía del Núcleo Atómico (pág. 45)
2.7.- Reacciones Nucleares. Radiactividad (pág. 47)
2.7.1.- Radiactividad Natural (pág. 50)
2.7.1.1.- Radiación alfa (pág. 50)
2.7.1.2.- Radiación beta (pág. 51)
2.7.1.3.- Radiación gamma (pág. 52)
2.7.1.4.- Series Radiactivas (pág. 52)
2.7.1.5.- Datación. Prueba del Carbono-14 (54)
2.7.2.- Radiactividad Artificial (pág. 55)
2.8.- Reacciones Nucleares (pág. 60)
2.8.1.- Reacciones Nucleares de Fisión (pág.61)
2.8.2.- Reacciones Nucleares de Fusión (pág. 68)
2.9.- Estructura del Núcleo Atómico (pág. 74)
2.9.1.- Modelo de Capas (pág. 74)
2.9.2.- Modelo de la Gota Líquida (pág. 75)
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1.- Repaso a la Estructura Atómica
Si miramos a nuestro alrededor lo que vemos es Materia. La Materia
está constituida por compuestos químicos, los compuestos químicos por
moléculas (unidad más simple del compuesto químico en cuestión
que goza de las propiedades físicas y químicas de ese compuesto) y las
moléculas por ATOMOS.
¿Qué son los átomos?
La Teoría Atómica de Dalton pudo explicar las leyes Ponderales
(cantidades en masa de los componentes de una reacción química) de
las reacciones químicas. Fue publicada en 1803 y establece los
siguientes postulados:
1.- Todos los elementos químicos están constituidos por partículas
discretas, invisibles e indivisibles llamadas átomos..
2) Los átomos de un mismo elemento son idénticos en todas sus
propiedades, especialmente en tamaño y masa.
3) Los átomos de elementos diferentes son totalmente diferentes en
todas sus propiedades.
4) Durante las reacciones químicas, existe un reordenamiento de
átomos, sin que el átomo se divida o destruya. La molécula del
compuesto resulta entonces de la superposición de átomos de
elementos diferentes.
5. Los átomos de dos elementos pueden combinarse en mas de una
relación entera y sencilla para formar más de un compuesto.
El primer y segundo postulado de la teoría de Dalton no son totalmente
correctos, no porque se equivocará en sus investigaciones sino por la
razón de que en 1803 no eran conocidos los electrones y protones.
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Sin embargo fue el primero en utilizar, sin saberlo, el concepto de
Partícula Elemental al considerar que el átomo era indivisible:
Las partículas elementales son los constituyentes elementales de la
materia, más precisamente son partículas que no están constituidas por
partículas más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna..
Posteriores investigaciones dieron luz a las partículas elementales:
CIENTÍFICO AÑO NOMBRE MASA(Kg) C. ELÉCTRICA
THOMSON 1897 Electrón (e-) 9,1 . 10
-31 1,602 . 10
-19 C (-)
RUTHERFORD 1909 Protón (p+) 1,67 . 10
-27 1,602 . 10
-19 C (+)
CHADWICK 1932 Neutrón (no) 1,675 . 10
-27 0,00
La primera evidencia de la existencia de las partículas elementales
como constitutivas de los átomos y por tanto de que los átomos no
eran indivisibles como postulaba la teoría atómica de Dalton, se
obtuvo de los estudios de la conductividad eléctrica de gases a bajas
presiones.
Los gases son aislantes para voltajes bajos, sin embargo, frente a
voltajes elevados se vuelven conductores. Cuando en un tubo de vidrio
que contiene un gas se hace parcialmente el vacío y se aplica un voltaje
de varios miles de voltios, fluye una corriente eléctrica a través de él.
Asociado a este flujo eléctrico, el gas encerrado en el tubo emite unos
rayos de luz de colores, denominados "rayos catódicos", que
son desviados por la acción de los campos eléctricos y magnéticos.
Para estudiar las propiedades de los rayos catódicos, el científico inglés
Joseph John Thomson (1856-1940) diseñó un dispositivo formado por
un tubo de vacío en cuyos extremos se situaban dos electrodos
metálicos a los que se aplicaba una diferencia de potencial elevada. Los
rayos catódicos emergentes del cátodo se hacían pasar por un
colimador para limitar la anchura del haz y, después, por unas placas
metálicas en las que se aplicaba un campo eléctrico. Finalmente, los
rayos se proyectaban sobre una pantalla fluorescente:
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Con este esquema, Thomson observó que el campo eléctrico desviaba
los rayos catódicos en sentido vertical hacia la placa positiva. Ello
demostraba la carga eléctrica negativa inherente a estos rayos y la
existencia de una masa y de la consiguiente inercia, que impedía que
fueran absorbidos por la placa. Por tanto, debía existir una
partícula elemental constituyente de los rayos catódicos, a la que
se llamó "electrón"(e).
Thomson determinó el valor de la relación entre la carga "e" y la masa
"m" del electrón, que hoy día se acepta como:
e / m = 1,758796 . 1011
C . Kg-1
C = Culombios (Unidad de carga elécrica)
Experiencia de Millikan
Después del descubrimiento de Thomson sobre la relación carga-masa
del electrón, sólo restaba determinar el valor de una de estas
magnitudes para conocer las propiedades básicas de esta partícula
elemental. De ello se encargó, tras varios intentos aproximativos de
otros investigadores, el estadounidense Robert A. Millikan (1868-
1953).
Entre 1909 y 1913, Millikan perfeccionó un complejo montaje
experimental, basado en esencia en el uso de un modelo en el que la
aplicación de un campo eléctrico intenso entre las placas de un
condensador permite mantener inmóvil y suspendida una gotita de
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aceite por equilibrio de las fuerzas gravitatoria y electrostática que
actúan sobre ella.
Tras arduas pruebas experimentales, Millikan logró determinar
la carga del electrón conociendo la masa de la gota y la intensidad del
campo eléctrico aplicado. Hoy día, el valor admitido de esta carga es
igual a qe = - 1,60210 · 10-19
C (valor negativo debido a la desviación
de los rayos Canales dentro de un campo magnético y hacia el polo
positivo).
A raíz de ello y de la relación de Thomson puede deducirse la masa del
electrón, que resulta me = 9,1091 · 10-31
kg.
El descubrimiento del protón
El físico alemán E. Goldstein en 1886 realizó algunos experimentos con
un tubo de rayos catódicos con el cátodo perforado. Observó unos
rayos que atravesaban al cátodo en sentido contrario a los rayos
catódicos. Recibieron el nombre de "Rayos Canales".
El estudio de estos rayos determinó que estaban formados por
partículas de carga positiva. Esto aclaró que las partículas salían del
seno del gas y no del electrodo positivo.
En el año 1918 Rutherford descubrió que cuando se disparan
partículas alfa (He+2
) contra un gas de nitrógeno, sus detectores de
centelleo muestran los signos de núcleos de hidrógeno. Rutherford
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determinó que el único sitio del cual podían provenir estos núcleos era
del nitrógeno y que por tanto el nitrógeno debía contener núcleos de
hidrógeno. Por estas razones Rutherford sugirió que el núcleo de
hidrógeno, que en la época se sabía que su número atómico (Z) era 1,
debía ser una partícula elemental. Se consiguió aislar la partícula
elemental positiva o "protón", cuya carga es la misma que la del
electrón pero positiva (qp = 1,60210 · 10-19
C ) y su masa es 1837
veces mayor a la me- (me- = 9,1 . 10-31
Kg).
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Descubrimiento del electrón
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_mate
ria/curso/materiales/atomo/catodicos.htm
El descubrimiento del electrón
http://www.hiru.com/fisica/el-descubrimiento-del-electron
Descubrimiento del protón
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/068/
htm/sec_8.htm
Descubrimiento del protón
http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/3esofisicaquimica/3qui
ncena5/3q5_contenidos_2d.htm
Descubrimiento del Neutrón
Se sabía que el átomo de hidrógeno contenía solamente un protón, y
que el átomo de helio contenía dos protones. Por tanto, la relación
entre la masa de un átomo de helio y un átomo de hidrógeno debería
ser 2:1. Sin embargo, en realidad la relación es 4:1.
Rutherford y otros investigadores habían propuesto que debería existir
otro tipo de partícula elemental, hecho que el físico inglés James
Chadwick probó en 1932.
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Cuando Chadwick bombardeó una delgada lámina de berilio con
partículas alfa (He+2
), el metal emitió una radiación de muy alta
energía, similar a los rayos Gamma (γ)
Experimentos posteriores demostraron que esos rayos realmente
constan de un tercer tipo de partículas, que Chadwick llamó
"neutrones" debido a que se demostró que eran partículas
eléctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la
masa de los protones ( mp+ = 1,67 . 10-27
Kg) . El misterio de la
relación de las masas ahora podía explicarse. En el núcleo de helio
existen dos protones y dos neutrones, mientras que en el núcleo de
hidrógeno hay sólo un protón y no hay neutrones (isótopo Protio del
Hidrógeno, 1H); por tanto, la relación es 4:1.
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Descubrimiento el neutrón
http://quimica.laguia2000.com/general/descubrimiento-del-neutron
Descubrimiento del neutrón
http://www.nocturnar.com/forum/ciencia/439082-descubrimiento-del-
neutron.html
El electrón, el protón y el neutrón son los componentes
fundamentales del átomo.
Veremos a continuación la distribución de estas partículas en el átomo,
es decir, estudiaremos los diferentes Modelos Atómicos.
1.1.- Modelo Atómico de Thomson
En 1904 Joseph John Tomson dio a conocer su modelo atómico
también llamado como "pastel de pasas". En dicho modelo, el átomo
está compuesto por electrones, de carga negativa, en un átomo
positivo, como pasas en un pastel. Las pasas son los electrones y el
bizcocho los protones. Se pensaba que los electrones se distribuían
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uniformemente alrededor del átomo. Los protones se consideraban
como una sopa de carga positiva o como una nube de carga positiva.
El modelo atómico de Thomson tiene el inconveniente de no incorporar
al neutrón ( no se había descubierto todavía) en la estructura del
átomo.
Enlaces
Modelo atómico de Thomson
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_mate
ria/curso/materiales/atomo/mod_thom.htm
http://www.deciencias.net/simulaciones/quimica/atomo/rutherford.htm
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1.2.- El Experimento de Ernest Rutherford . Modelo
Atómico de Rutherford
Desde principios de 1900 ya se conocían las siguientes características
de los átomos:
a) Contienen electrones
b) Contienen protones
c) Contienen neutrones
d) Son eléctricamente neutros
En 1910 Rutherford, utilizó partículas alfa (He+2
) para demostrar la
estructura de los átomos. Rutherford efectuó una serie de
experimentos utilizando láminas muy delgadas de oro y de otros
metales, como blanco de partículas "α" provenientes de una fuente
radiactiva.
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Ellos observaron que la mayoría de las partículas "α" atravesaban la
lámina sin desviarse, o bien con una ligera desviación. De vez en
cuando, algunas partículas alfa eran desviadas de su trayectoria con un
gran ángulo. En algunos casos, las partículas alfa regresaban con la
misma dirección pero sentido contrario hacia la fuente radiactiva.
Tiempo después, Rutherford pudo explicar los resultados del
experimento de la dispersión de partículas "α" utilizando un nuevo
modelo de átomo. De acuerdo con Rutherford, la mayor parte de los
átomos debe ser espacio vacío. Esto explica por qué la mayoría de las
partículas "α" atravesaron la lámina de oro sufriendo poca o ninguna
desviación. Rutherford propuso que las cargas positivas de los átomos
estaban concentradas en un denso conglomerado central dentro del
átomo, que llamó "núcleo". Cuando una partícula “α" (positiva)
pasaba cerca del núcleo, actuaba sobre ella una gran fuerza de
repulsión, lo que originaba una gran desviación de la partícula "α".
Una gran desviación también podría ser producida por la atracción
ente las partículas "α" (positivas) y los electrones (negativos) de la
Corteza Electrónica. Más aún, cuando una partícula “α” incidía
directamente sobre el núcleo, experimentaba una repulsión tan grande
que su trayectoria se invertía por completo.
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Las desviaciones de las partículas "α" eran debidas, según Rutherford,
a que el núcleo estaba cargado eléctricamente con carga positiva.
Por lo tanto en el núcleo se situaban los protones. También se podía
dar la circunstancia de que las partículas "α" no atravesaran el núcleo
por posibles choques inelásticos quedando incrustadas en el núcleo.
Esta situación requería que el núcleo contuviera una gran cantidad de
masa con respecto al resto del átomo, lo que incluía en el "Nucleo" los
protones y neutrones.
Sabemos pues que las partículas del "núcleo" tienen:
a) Carga positiva proporcionada por los protones
b) Otros experimentos determinaron que los protones tienen la misma
cantidad de carga eléctrica que los electrones, pero de signo contrario, y
que su masa es de 1,67262 × 10-27
Kg. Aproximadamente 1840 veces la
masa de los electrones.
Hasta este punto, los científicos visualizaban el átomo de la siguiente
manera:
a) La masa del núcleo constituye la mayor parte de la masa total del
átomo. En esta masa intervienen la masa del protón y del neutrón
b) El núcleo ocupa solamente 1/1013 del volumen total del átomo
c) El radio de un átomo es aproximadamente de 100 pm
(picómetro = 1pm = 1 . 10-12
m), mientras que el radio del núcleo
atómico es solamente de 0,005 pm.
d) Los protones están confinados en el núcleo del átomo
e) Los neutrones se encuentran en el núcleo del átomo
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f) Los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas
circulares y a cierta distancia de él constituyendo la Corteza
Electrónica.
Modelo atómico de Rutherford:
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Video: Modelo Atómico de Rutherford:Video: Experiencia de
https://www.youtube.com/watch?v=Pc0LWkUWPI8
Video: Experiencia de Rutherford
https://www.youtube.com/watch?v=i3-qchO5RbM
Video: Modelo atómico de Rutherford
https://www.youtube.com/watch?v=QEGOI3k0VV4
Enlaces
https://www.tplaboratorioquimico.com/quimica-general/teoria-
atomica/el-experimento-de-ernest-rutherford-el-proton-y-el-
nucleo.html
http://www.bioygeo.info/pdf/Experimento_Rutherford.pdf
EL NÚCLEO ATÓMICO
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http://www.fullquimica.com/2011/03/teoria-atomica-molecular-de-
dalton-1808.html
Bueno ya estamos donde queremos estar. El átomo consta de dopartes:
Todo lo que se ha estudiado a lo largo de la E.S.O. y del Bachillerato
sobre Química se ha basado en el estudio de los electrones, es decir, de
la Corteza Electrónica. Pero ¿que sabemos del Núcleo? ¿Como es
posible que en el núcleo existan los protones con la misma
carga eléctrica positiva y no se repelan saliendo del núcleo?.
Hemos llegado al objetivo de este trabajo. El Estudio del Núcleo
Atómico..
2.- Estudio del Núcleo Atómico
2.1.- Forma y Tamaño del Núcleo
Rutherford mediante el experimento que lleva su nombre determinó en
el átomo:
a) La Corteza Electrónica en la que se distribuían los electrones
describiendo orbitas circulares alrededor del Núcleo.
b) El Núcleo que estaba cargado eléctricamente de forma positiva y
contenía prácticamente la totalidad de la masa del átomo. La carga
positiva la aportaba los protones (p+). La masa la determinaba la masa
de los protones y de los neutrones(no) cuya suma recibe el nombre de
Número Másico (A).
La masa del átomo viene determinada por la suma de las masas de las
tres partículas elementales (mp+, mno y me-) pero la masa de los
electrones la podemos considerar despreciable frente a la masa de los
protones y de los neutrones. La masa de los protones y neutrones es
prácticamente la misma y 1835 veces mayor que la masa del electrón.
La Forma del Núcleo de un átomo depende de las fuerzas
electrostáticas atractivas entre los protones del núcleo (+) y los
electrones (-) de la corteza electrónica.
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a) Si la fuerza atractiva cumple la ley de Coulomb (dos cargas
eléctricas se atraen con una fuerza que es directamente proporcional al
producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia que las separa):
F = K . qe- . qp+ / R2
los protones se reparten en el núcleo de forma uniforme haciendo que
dicho núcleo tenga forma esférica..
En el caso de los elementos químicos 1H,
8O,
20Ca,
28Ni,
50Sn y
82Pb
tienen un núcleo esférico y los cercanos a ellos en su números atómicos
tienen un núcleo que podemos considerar Esféricos o CASI Esféricos.
b) Si la distribución de los protones no es uniforme, además de las
fuerzas electrostáticas aparecen otras de efectos débiles pero lo
suficiente para distorsionar la forma esférica favoreciendo la forma de
Esferoides ligeramente alargados.
Se han determinado un gran número de radios nucleares mediante la
dispersión de las partículas "α" al incidir en núcleos de átomos
metálicos obteniéndose un valor del mismo del orden de 10-14
m.
Se ha llegado a la conclusión: el radio del núcleo es directamente
proporcional a la raíz cúbica del número másico (A):
R = R0 (A)1/3
A = Número másico
Ro = Constante de proporcionalidad de valor 1,25 . 10-15
metros. Esta
aproximación es válida sólo para los núcleos particularmente esféricos
con un bajo A.
Si el núcleo lo consideramos esférico, el volumen de la esfera viene
determinado por la ecuación:
V = 4/3 . π . R3
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Si a esta ecuación llevamos el valor de R de la ecuación anterior
tenemos que:
V = 4/3 . π . ( Ro . A1/3
)3
V = 4/3 . π . Ro3 . A
En donde podemos apreciar que el volumen del núcleo es directamente
proporcional al número másico (A) del elemento químico.
La densidad nuclear (m/V) en núcleos esféricos es proporcional al
número de nucleones (protones + neutrones) y tiene un valor constante
1015 veces mayor que la densidad de la materia macroscópica. Esta
densidad nuclear nos aporta dos datos:
a) Gran compacidad de los nucleones dentro de un núcleo.
b) La materia macroscópica está esencialmente vacía, ya que la
mayor parte de la masa está concentrada en los núcleos atómicos.
Recordemos: El radio de un átomo es aproximadamente de 100 pm (
1pm = 1 . 10-12
m), mientras que el radio del núcleo atómico es
solamente de 0,005 pm.
Enlaces
https://tuylaquimica.files.wordpress.com/2011/03/nc3bacleoat.pdf
http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema9/9-1nucleo.htm
http://web.educastur.princast.es/proyectos/jimena/pj_franciscga/Ruthe
rford2.htm
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2.2.- Componentes del Núcleo Atómico
Actualmente, se sabe que las partículas elementales de los átomos:
electrones, protones y neutrones son divisibles ( no son partículas
elementales[1]). La duda está en identificar cuáles son las verdaderas
partículas elementales. Dado que la longitud de onda de la luz es
mucho mayor que el tamaño de un átomo, no es posible emplear la luz
como instrumento para ver las partes que lo constituyen.
[1] Las partículas elementales son los objetos más simples que se
pueden concebir. En general no tienen partes ni se pueden dividir en
componentes más sencillas, sin embargo los experimentos de colisiones
entre partículas a muy altas energías han revelado que algunas
partículas que se creían simples en realidad son compuestas y que
estaban formadas por partículas más simples.
Para estudiar las fuerzas nucleares, los físicos tienen que perturbar
los neutrones y protones del núcleo bombardeándolo con partículas
extremadamente energéticas. Estos bombardeos han revelado más de
200 partículas elementales, no todas ellas son constituyentes de los
átomos, muchas de ellas proceden del choque entre partículas
elementales. La mayoría de estas partículas elementales sólo existe
durante un tiempo mucho menor a una cienmillonésima de segundo.
Tal cantidad de entidades elementales sorprendió a los físicos, hasta
que fueron capaces de comprender que muchas de esas
partículas realmente no eran elementales sino compuestas
constituyendo las subpartículas.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 20
Las partículas más pesadas (hadrones) y las de masa intermedia
(mesones) fueron consideradas, en principio, elementales.
Actualmente se sabe que son partículas compuestas. Sólo las
partículas más ligeras resultaron ser elementales.
Este mundo subnuclear salió a la luz por primera vez en los rayos
cósmicos. Estos rayos están constituidos por partículas de muy alta
energía que bombardean constantemente la Tierra desde el espacio
exterior; muchas de ellas atraviesan la atmósfera y llegan incluso a
penetrar en la Corteza Terrestre. La radiación cósmica incluye muchos
tipos de partículas, de las que algunas tienen energías que superan con
mucho a las logradas en los aceleradores de partículas. Cuando estas
partículas altamente energéticas chocan contra los núcleos, pueden
crearse nuevas partículas..
En el "modelo estándar", que refleja nuestro estado de conocimiento
sobre los constituyentes últimos de la materia establece dos series de
partículas elementales:
a) Los Fermiones o "particulas de materia".
b) Los Bosones, "partículas mediadoras de fuerza" o "partículas
portadoras de las interacciónes fundamentales".
Los Fermiones y Bosones tienen una propiedad llamada "spin"
(momento angular intrínseco de rotación). Los fermiones tienen spin
semi-entero y los bosones tienen un spin entero.
Los Fermiones se clasifican en dos grandes grupos:
a) Los Leptones
b) Los Quarks
Cada uno de estos dos grupos está compuesto por seis partículas
elementales constituyendo 12 partículas de "materia".
Los Leptones
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 21
Los leptones son partículas muy ligeras que siempre interactúan por
medio de la Fuerza Nuclear Débil (se verá) y si tienen carga también
están bajo la acción de la interacción electromagnética, pero nunca bajo
la acción de la Interacción Nuclear Fuerte (se verá).
Entre los leptones nos encontramos las partículas:
a) El Electrón (e-)
b) El Muón (µ)
c) La partícula tau (T-) (T)
d) Neutrino electrónico (Ve) (Ve)
e) Neutrino muónico (Vµ)(Vµ)
f) Neutrino tau (VT)(VT)
Enlazar vía online para visualizar los videos
Video: Quarks y Leptones (Inglés subtitulado)
https://www.youtube.com/watch?v=I3jtzXr69GY
Video: El Electrón
https://www.youtube.com/watch?v=6feftMHfPII
Video: El Electrón
https://www.youtube.com/watch?v=zspxN62jlvo
Video: El Muón (Inglés)
https://www.youtube.com/watch?v=ejcaz7wXawY&list=PLkoDUZZt7
2sSxmf1vhj-fsZdePR61ONYS
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 22
Video: Los Neutrinos
https://www.youtube.com/watch?v=eXDLkNL9wuw
Video: Los Neutrinos
https://www.youtube.com/watch?v=FO-mJHPIFdw
Video: Los Neutrinos y la velocidad de la luz
https://www.youtube.com/watch?v=JetgzFhQKG0
Los Quarks
Los Quarks están bajo la acción de la Fuerza Nuclear Fuerte, pero
no se encuentran libres en la naturaleza. Siempre están ligados con
otros quarks ya sea en un barión o en un mesón.
Entre los Quarks tenemos:
a) Quarks up (arriba), (u)
b) " down (abajo), (d)
c) " charm (encantado), (c)
d) " strange (estraño), (s)
e) " top ((cima), (t)
f) " bottom (fondo), (b)
Enlazar online para visualizar el video
Video: Los Quarks
http://www.youtube.com/watch?v=3udGCbEfsfg&feature=results_vid
eo&playnext=1&list=PLDD991B445A6FCEC8
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 23
Partículas fundamentales del Modelo Estándar
LEPTONES QUARKS
FAMILIAS NOMBRE SIMB. NOMBRE SIMB.
electrón e up u
1ª
neutrinoe ᵧe down d
muon µ charm c
2ª
neutrinoµ γµ estrange s
tau l top t
3ª
neutrinol γe bottom b
Los quarks y leptones que interaccionan entre ellos mediante el
Salvo los tres neutrinos, que tienen carga eléctrica nula, las restantes 9
partículas tienen carga eléctrica. El electrón, muón y partícula tau
tienen la misma carga eléctrica. Tomando como carga patrón la del
electrón, la carga eléctrica de los quarks: up, charm y top es positiva e
igual a 2/3 de la carga del electrón, mientras que los quarks: dow,
strange y bottom tienen carga eléctrica negativa e igual a 1/3 de la carga
electrónica patrón. Sólo las partículas con carga eléctrica no nula son
sensibles a las fuerzas de origen electromagnético.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 24
Las partículas elementales poseen diferentes masas. Tomaremos como
referencia la masa del electrón, me = 9,109 . 10-31
Kg.
PARTÍCULA MASA
Muón 206 > me
Partícula Tau 3477 > me
Neutrinos Masas NO NULAS pero desconocidas
Los quarks no han sido detectados en forma libre, por el denominado
efecto de confinamiento (se las observa únicamente con otras
partículas) por lo que la noción de masa para los quarks es en
consecuencia más compleja. Los valores que se aportan son valores
aproximados:
Quarks "u" 6 > me
Quarks "c" 2500 > me
Quarks "t" 334000 > me
Quarks "d" 12 > me
Quarks "s" 200 > me
Quarks "b" 8400 > me
Si consideramos como base el módulo de la carga eléctrica del electrón:
qe = | - 1,6 . 10-19
C | = 1,6 . 10-19
C
y a este valor le damos simbólicamente el valor de la unidad:
| qe | = 1
podemos establecer las cargas eléctricas de los diferentes Quarks:
QUARKS CARGA ELÉCTRICA
up (u) + 2/3
charm (c) + 2/3
top ( t) + 2/3
dow (d) - 1/3
strange (s) - 1/3
botton (b) - 1/3
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 25
Combinaciones de tres quarks forman los Bariones (como el protón)
y combinaciones de un quark y un anti-quark (se verá) forman la
famila de los Mesones.
Video: Quarsk y Leptones. Carga de color
https://www.youtube.com/watch?v=29x-36OsUDg
Video: Quarsk y Leptones
https://www.youtube.com/watch?v=6TQxZ3bYxBo
Los quarks se unen mediante partículas llamadas gluones. El gluón
es un bosón ( incluye partículas fundamentales como fotones, gluones,
bosones W y Z el bosón de Higgs), portador de la interacción nuclear
fuerte. No posee masa ni carga eléctrica, pero sí carga de color
( estado cuántico).
Un protón está formado por dos quarks up y un quark down. Un
neutrón está formado por dos quarks down y un quark up.
En las partículas compuestas de quarks, como el "protón" y el
"neutrón", podemos determinar su carga eléctrica en función de la
carga eléctrica de las subpartículas que las forman.
Ejemplo:
Protón → p+ → + 1
Protón (p+)= 2 quarks u + 1 quarks d = 2 . (+ 2/3) + (- 1/3) =
= + 4/3 - 1/3 = + 3/3 = + 1
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 26
Neutrón → n0
Neutrón (no)= 2 quarks d + 1 quarks u = 2 ( - 1/3) + (+ 2/3) =
= - 2/3 + 2/3 = 0
Los protones se mantienen unidos a los neutrones por el efecto de los
piones ( los veremos más adelante), que son mesones compuestos,
formados por parejas de quark y antiquark.
El muón (µ) es esencialmente un electrón pesado, y puede tener carga
positiva o negativa. Es aproximadamente 200 veces más pesado que un
electrón.
La partícula tau es una partícula elemental masiva que pertenece a la
tercera generación de leptones ( Neutrino Tau y partícula Tau) . Su
carga es negativa (T-) y su masa es de 1800 MeV/C
2.
El hadrón es una partícula compuesta por la unión de quarks y/o
antiquarks o bien gluones como los protones y neutrones. Se encuentran
afectadas por la fuerza nuclear fuerte.
Los neutrinos nacen de la radiación "β". Esta radiación consiste en la
liberalización de electrones procedentes del núcleo. En el núcleo NO
EXISTEN ELECTORES. Cuando un neutrón se desintegra se produce
un protón que queda en el núcleo y un electrón que se libera. Pero la
suma de las masas del electrón y el protón resultante no es igual a la
masa del neutrón. Como la masa no puede desaparecer en el universo,
tiene que haber algo más que sale del neutrón cuando éste se
desintegra. Ese algo más es el neutrino.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 27
Existen tres tipos de neutrinos asociados a cada una de las familias :
a) Neutrino electrónico (Ve)
b) Neutrino muónico (Vµ)
c) Neutrino tauónico (VT)
Un neutrino es una partícula de masa prácticamente nula que no tiene
carga y no siente la fuerza nuclear fuerte. Debido a no sentir la fuerza
nuclear fuerte ni la fuerza electrostática, es muy difícil detectarlos.
Como ya se comentó los Quarks no se han podido aislar. Siempre se
encuentran en grupos de a tres formando los protones y neutrones, en
donde están unidos por el intercambio de gluones) o en grupos de a dos
formando los mesones π y mesones K.
Esta capacidad para unirse, se debe a que experimentan la acción de la
Fuerza Nuclear Fuerte.
Los quarks presentan las fuerzas de interacción fuerte teniendo
"cargas de color" (estados cuánticos) no nulas (roja, verde o azul). Los
leptones son insensibles a este tipo de fuerzas y tienen cargas de color
nulas.
EL NÚCLEO ATÓMICO
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Tanto los leptones como los quarks son además sensibles a las fuerzas
derivadas de la denominada Interacción Débil.
La existencia del pión fue predicha en 1935 por el físico japonés
Yukawa Hideki y fue descubierto en 1947. Según la teoría más
aceptada, las partículas nucleares se mantienen unidas por “fuerzas de
intercambio” en las que constantemente se intercambian piones
comunes a los neutrones y los protones. El pión, unas 200 veces más
pesado que el electrón, puede tener carga positiva,, negativa o nula.
.
El pión es el nombre común que reciben tres partículas subatómicas:
π0, π
+ y π
−.
Un pión está formado por un quark y un antiquark. Hay varios piones,
dependiendo de qué combinación quark/antiquark se tiene.
Por ejemplo:
a) Un quark up y uno antidown producen un pión de carga positiva,
denotado como π+.
b) Un quark down y uno antiup componen el pión de carga negativa, π-.
c) Un quark up y uno antiup, o unodown , producen el pión neutro, π0.
d
P
El π0 es un poco más ligero y su desintegración produce dos fotones.
PIÓN
u d
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 29
El Kaón o mesón - K es una partícula subatómica compuesta por un
par quark - antiquark. Pertenece a la familia de los mesones junto con
el pión.
Los kaones cargados tienen una composición de quarks:
a) Quars up-antistrange en el kaón positivo (K+)
b) Quarks antiup-strange en el kaón negativo (K-).
Son realmente importantes porque introducen un nuevo número
cuántico que se denomina "Extrañeza". Relacionada con el quark
strange.
Además del K+ y K
- también existe el K
o. En total tenemos cuatro
Kaones: 1 K+, 1 K
- y 2 K
o.
Se producen kaones cuando un pión choca con un protón en el núcleo
de un átomo. La interacción nuclear fuerte entre el pión y
el protón produce, en un tiempo cortísimo (unos 10-23
segundos) un par
de kaones, que salen despedidos en diferentes direcciones.Fueron
descubiertos experimentalmente en Manchester en 1947 al analizar
La masa de los kaones (positivos y negativos) es de 493,67 MeV/c2.
El Kaón neutro tiene una masa de 497,72 MeV/ C2.
A partir de 1953 se pudieron producir artificialmente (los kaones), en
reacciones originada en aceleradores de partículas.
MESON K+
U S
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En Abril de 2009 descubren un quark top solitario. Los quarks top
siempre se habían observado de dos en dos. La existencia de este quark
confirma parámetros de gran importancia de la física de partículas,
como el número total de quarks. Este hallazgo es también trascendente
en la búsqueda de la partícula de Higgs,"El bosón de Higgs" o
"Partícula de Dios".". Esta partícula, el bosón, explicaría como de una
gran explosión (Big - Bang), con muchísima liberación de energía se
podía obtener materia.
Los físicos, para poder explicar los resultados de ciertas experiencias
postulan la hipótesis de que los quarks podrían ser partículas
compuestas formadas por una partículas elementales llamadas
"preones". De los preones nada se sabe y de momento los quarks
siguen siendo partículas elementales.
Enlaces
http://particleadventure.org/spanish/quark_funs.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Quark#Descubrimiento_experimental
http://historiaybiografias.com/el_atomo1/
http://www.monografias.com/trabajos52/particulas-
subatomicas/particulas-subatomicas.shtml
http://e-
ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1162/html/
21_partculas_subatmicas.html
http://es.gizmodo.com/el-lhc-descubre-un-nuevo-tipo-de-particula-
subatomica-1717685013
http://es.slideshare.net/Rickandroller/particulas-subatmicas?related=1
2.3.- Partículas y Antipartículas
Paul Dirac formuló la ecuación relativista que lleva hoy su nombre.
Cuando resolvió su ecuación, Dirac se encontró con que además de
describir el electrón tenía soluciones adicionales que describían otra
partícula con una carga eléctrica opuesta a la del electrón. Dirac
decidió que las soluciones adicionales de su ecuación describían el
protón. Pero, tras un análisis más meticuloso, se hizo evidente que las
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 31
partículas que describían las soluciones adicionales tenían que tener
exactamente la misma masa que el electrón, circunstancia que no se
cumple ( mp+ > 1800 me-). Las soluciones adicionales tenían que
corresponder a una partícula completamente nueva de la misma masa
que el electrón, pero de carga opuesta. Esta partícula fue descubierta
en 1932 por Carl Anderson. La nueva partícula es la antipartícula del
electrón que se conoce con el nombre de "positrón" (e+).
La primera antipartícula compuesta, el "antiprotón" (p-), fue
descubierta por Emilio Segré y Owen Chamberlain, en 1955. Ambos
ganaron por ello el premio Nobel de Física, en 1959.
Conocemos que toda la materia está formada por unas “pocas”
partículas, fundamentalmente: protones, neutrones y electrones (hay
muchas otras, pero atengámonos a las básicas).
Cada una de ellas tiene una masa, carga (positiva, negativa o neutra) y
spin (algo así como un “giro” de la partícula) propio, y diferente de el
de otra partícula.
Las antipartículas tienen la misma masa y el mismo spin que sus
compañeras, las partículas ordinarias, pero cargas inversas.
Cuando una estrella es muy masiva, su núcleo puede producir tanta
luz de rayos gamma (radiación electromagnética) que parte de la
energía de la radiación es convertida en pares de partículas y
antipartículas.
Todos los quark posee una antipartícula denominada antiquark. Lo
mismo sucede con los leptones.
La existencia de antipartículas parece ser un capricho de la naturaleza.
Para las antipartículas muchas cosas suceden al contrario de sus
opuestas. ¿Todo tiene un opuesto? ¿Para cada partícula existe una
opuesta?. No todas las partículas tienen sus opuestas. El fotón no tiene
un antifotón.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 32
Todos los fermiones tienen antipartículas, pero no todos los bosones
tienen antipartículas. No existe una regla lógica que explique esto. Son
pocas las partículas que no tienen su opuesto como una posibilidad de
suceder.
¿Cómo podemos explicar que una partícula que no tiene carga pueda
tener antipartícula?. Este es el caso del neutrón, no tiene carga eléctrica
pero si tiene antipartícula, el antineutrón. Podemos explicarlo por dos
mecanismos distintos:
a) El neutrón tiene carga cero. Se trata de una partícula compuesta de
tres quarks, su antipartícula se constituiría por la unión de los
antikuarks correspondientes. El neutrón y antineutron se diferencias en
sus quarks
b) El neutrón no tiene carga eléctrica, pero en cambio posee un campo
magnético que apunta en una determinada dirección. Y existe el
"antineutrón", que tampoco tiene carga eléctrica pero cuyo campo
magnético apunta en la dirección opuesta.
Considero que la primera explicación es la correcta porque la
partícula y antipartícula no se diferencian en el spin..
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 33
Partículas y Antipartículas:
PARTICULA C. ELÉCTRICA MASA(MeV) ANTIPARTÍCULA C. ELÉC. MASA(MeV)
FOTÓN (ᵧ) 0 0 ᵧ
NUCLEONES
PROTÓN (p+) + 1 938,26 ANTIPROTÓN ( p ) - 1 938,26
NEUTRÓN(nO
) 0 939,55 ANTINEUTRÓN ( n ) 0 939,55
LEPTONES ELECTRÓN (e
-) - 1 0,511 POSITRÓN (e
+) + 1 0,511
MUÓN (µ-) - 1 105,659 MUÓN (µ
+) + 1 105,659
MUÓN (µ+) + 1 105,659 MUÓN (µ
-) - 1 105,659
TAU (T-) - 1 1800 TAU (T
+) + 1 1800
TAU (T+) + 1 1800 TAU (T
-) - 1 1800
NEUTRINO (Ve) 0 < 2 . 10-4
NEUTRINO (Ve) 0 < 2 . 10-4
NEUTRINO (Vµ) 0 < 2 . 10-4
NEUTRINO (Vµ) 0 < 2 . 10-4
NEUTRINO (VT) 0 < 2 . 10-4
NEUTRINO (VԎ) 0 < 2 . 10-4
QUARKS
up (u) + 2/3 6 > me up ( u ) - 2/3 6 > me
charm (c) + 2/3 2500 > me charm ( c ) - 2/3 2500 > me
top (t) + 2/3 334000 > me top ( t ) - 2/3 334000 > me
dow (d) - 1/3 12 > me dow ( d ) + 1/3 12 > me
strange (s) - 1/3 200 > me strange ( s ) + 1/3 200 > me
botton (b) - 1/3 8400 > me botton ( b ) + 1/3 8400 > me
MESONES
PIÓN (π+) + 1 139,58 PIÓN (π
-) - 1 139,58
PIÓN (µ-) - 1 139,58 PIÓN (µ
+) +1 139,58
PIÓN (π0) 0 134,97 PIÓN (π
0) 0 139,58
KAÓN (K+) + 1 493,82 KAÓN (K
-) - 1 493,82
KAÓN (K0) 0 497,76 KAÓN (K
O) 0 497,76
KAÓN (kO
) 0 497,76 KAÓN (kO) 0 497,76
KAÓN (K-) - 1 493,76 KAÓN (k
+) + 1 493,82
La forma más fácil de separar partículas opuestas es a través del uso de
campos electromagnéticos. Bajo la acción del campo electromagnético
una determinada variedad se desvía hacia la izquierda en tanto que la
otra se desvía hacia la derecha.
Video: Antipartícula
https://www.youtube.com/watch?v=QEIxWhH2n1Y
¿Qué ocurriría si tenemos juntas partículas y antipartículas?
Si electrones y positrones chocan entre sí se aniquilan emitiendo
energía en forma de radiación en el proceso. Esta energía proviene de la
masa de las partículas y antipartículas. Como sabemos, la masa es una
EL NÚCLEO ATÓMICO
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forma de energía, lo que fue señalado por Albert Einstein en su teoría
especial de la relatividad hace poco más de cien años ( E = m . c2).
Transformaciones de las partículas
Una partícula puede convertirse en otra, pero siempre que se forma una
partícula sin la existencia previa de otra, es decir, tiene que formarse
simultáneamente una antipartícula.
He aquí un ejemplo. Un neutrón puede convertirse en un protón, lo
cual es perfectamente admisible, porque lo único que ha sucedido es
que una partícula se ha convertido en otra. Pero en esa conversión se
forma también un electrón. Es decir, una partícula se ha convertido en
dos. Para contrarrestar esa segunda partícula se forma una diminuta
antipartícula llamada «antineutrino».
n0 → p
+ + e
- + antineutrino
Una partícula (el neutrón) se ha convertido en otra (el protón) más un
par partícula / antipartícula (el electrón y el antineutrino).
A partir de energía se pueden formar pares partícula / antipartícula,
que a su vez pueden volver a convertirse en energía. De energía no
podemos sacar una partícula sola, ni una única antipartícula, pero sí
un par.
Como la propia energía está formada de fotones, se plantea entonces el
problema de si el fotón es una partícula o una antipartícula. No parece
que haya ningún modo de convertir un fotón en un electrón, por lo cual
no puede ser una partícula; ni tampoco de convertirlo en un
antielectrón, por lo cual tampoco puede ser una antipartícula.
Sin embargo, un fotón de rayos gamma suficientemente energético, sí
puede convertirse en un par electrón / antielectrón. Parece, pues, que el
fotón no es ni una partícula ni una antipartícula, sino un par partícula
/ antipartícula. Este par se anula convirtiéndose en energía (fotón).
Todo fotón es a la vez un antifotón, o digámoslo así, un fotón es su
propio opuesto.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 35
Enlaces
http://www.sabermas.umich.mx/archivo/secciones-
anteriores/articulos/75-numero-10/154-el-mundo-de-la-
antimateria.html
http://www.academico.cecyt7.ipn.mx/FisicaIV/unidad3/particulas.htm
http://www.fisicanet.com.ar/monografias/monograficos5/es099_las_ant
iparticulas.php
https://universocuantico.wordpress.com/2009/04/18/antiparticulas-
esas-cosas-raras-i/
http://www.quantum-rd.com/2009/12/uno-de-los-primeros-exitos-de-
la-teoria.html
http://quimica.laguia2000.com/elementos-quimicos/antiparticulas
2.4.- Antimateria
En 1928, el físico inglés Paul Dirac fue el primero en combinar la
relatividad y la mecánica cuántica ( visto en el apartado anterior) , y
así llegó a una ecuación que describe con precisión al electrón. Pero la
ecuación de Dirac también predice la existencia de una partícula con
las mismas propiedades que el electrón, pero con carga positiva: una
antipartícula. Y no sólo debía existir una antipartícula para el electrón,
sino también para el resto de partículas conocidas.
El descubrimiento en 1932 del positrón, la antipartícula del electrón,
confirmó la teoría de Dirac. Podemos decir que las partículas
ordinarias forman la materia que nos rodea, también sus
correspondientes antipartículas podrían formar átomos de
antimateria; es decir, positrones que dan vueltas alrededor de un
núcleo compuesto por antiprotones y antineutrones.
EL NÚCLEO ATÓMICO
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Enlazar online para visualizar los videos
Video: Antimateria
https://www.youtube.com/watch?v=6uFBDotF7IM
Video: Antimateria
https://www.youtube.com/watch?v=sYYN57kegXU
Sabemos que el sistema partícula - antipartícula no existe puesto que al
chocar entre ellas se destruyen y se genera energía. ¿ Si todas las
partículas tienen una antipartícula, como es posible que exista el
Universo?
Según la teoría, el Big Bang debió haber creado igual cantidad de
materia y antimateria, las cuales, en cuanto se encontraran, se
aniquilarían mutuamente y produciendo gran cantidad de energía.
Nada más que energía. No existiría la materia.
Para poder salir de la ambigüedad recurrimos al hecho de que los
cálculos indican que desde el principio existió una partícula extra de
materia por cada mil millones de pares de materia y antimateria. Con
esta partícula extra de materia empezó a formarse el Universo tal y
como lo conocemos hoy. Estas partículas supervivientes se unieron
luego para formar los primeros átomos, que más tarde constituirían las
primeras estrellas y galaxias.
Según estos cálculos la antimateria no existe en el Universo, NO existen
las antipartículas y esto no es así actualmente. Conocemos partículas y
antipartículas. Debe existir alguna fuente de antipartículas.
Las fuentes de la antipartículas son:
a) Las antipartículas caen constantemente a la Tierra en forma de
rayos cósmicos. Parece haber evidencia de producción de antimateria
en las tormentas eléctricas.
b) La desintegración radiactiva de algún elemento químico puede
producir antipartículas. El isótopo del potasio 40
K produce en su
desintegración positrones (e+).
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 37
c) En los en los aceleradores de partículas se puede generar antimateria.
Los primeros intentos se remontan a principios de la década de 1990
en el CERN ( Organización Europea de Investigaciones nucleares). El
método consistía en hacer pasar un antiprotón muy veloz cerca de un
núcleo atómico pesado lo que de producía un par electrón-positrón. En
este hipotético caso, el antiprotón podía unirse con el positrón y formar
un átomo de antihidrógeno. Después de muchos intentos e introducción
de trampas para guardar las antipartículas los investigadores han
logrado aislar la antimateria en dispositivos llamados trampas de
Penning, que son trampas iónicas parecidas a pequeños aceleradores,
dentro de los cuales las partículas pueden permanecer en movimiento
mientras los campos eléctricos impiden que choquen contra las
paredes. Los antiprotones que quedan presos llegan a zonas conocidas
como cinturones de radiación de Van Allen.
Los científicos en CERN utilizan un desacelerador de partículas para
disminuir la velocidad de antiprotones y posicionarlos junto con
positrones. Desde 2009, el equipo ha sido capaz de crear átomos de
antihidrógeno y mantenerlos por 17 minutos. Incluso, en enero de 2014,
crearon un rayo de antihidrógeno en el que se identificaron 80 átomos
de antimateria.
Aplicaciones de la Antimateria
Dado que una pequeña cantidad de antimateria es capaz de producir
grandes cantidades de energía, la propulsión de vehículos impulsados
por ella es hipotéticamente posible. La limitación, como hemos visto, es
encontrar o disponer de suficiente antimateria. Existen experimentos
que simulan propulsión y almacenamiento, pero están en una fase
sumamente temprana de desarrollo.
Al ser la antimateria existente en el universo muy escasa para poder
utilizarla como fuente de energía tenemos que fabricarla. La energía de
fabricación de una antipartícula es muy superior a la que se libera en
el choque entre partícula y antipartícula. Sería un proceso
económicamente no factible.
EL NÚCLEO ATÓMICO
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En medicina se utiliza la antimateria en la topografía de emisión de
positrones (PET). Se utilizan los positrones para producir imágenes de
alta resolución del cuerpo. Los positrones que emiten isotopos
radioactivos se alían con sustancias químicas como la glucosa, las
cuales son inyectadas en el torrente sanguíneo, donde los isotopos son
liberados al ser procesados por el cuerpo. Al liberarse son aniquilados,
lo que produce rayos gama, utilizados para construir las imágenes.
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Video: Antimateria y su fabricación
https://www.youtube.com/watch?v=6uFBDotF7IM
Video: Antimateria
https://www.youtube.com/watch?v=dkY8tXQPxAM
Video: Antimateria
https://www.youtube.com/watch?v=sYYN57kegXU
Video: Cinco características de la Antimateria
https://www.youtube.com/watch?v=1XHJIYkcnZ8
Enlaces
http://www.comoves.unam.mx/numeros/articulo/157/antimateria-el-
otro-lado-del-espejo
http://pijamasurf.com/2015/05/10-cosas-que-tal-vez-no-sabes-sobre-la-
antimateria/
http://www.batanga.com/curiosidades/5957/es-posible-crear-
antimateria
http://www.oei.es/divulgacioncientifica/noticias_548.ht
http://hipertextual.com/2015/11/antimateria-antiprotones-interaccion
http://www.cienciakanija.com/2015/11/08/se-mide-la-fuerza-que-
mantiene-unida-a-la-antimateria/
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 39
2.5.- Fuerzas de Interacción Nuclear
En el campo de la Física se estudian CUATRO tipos de Interacción o
Fuerzas existentes en la Naturaleza:
La mayoría de los fenómenos que ocurren en la naturaleza:
a) El movimiento de los planetas, cometas y otros astros en torno al Sol
b) El movimiento de las cargas eléctricas en un conductor que inducen
a un campo magnético
c) Las fuerzas de atracción que experimentan los electrones en torno al
núcleo
Pueden ser explicados por estos tipos de Fuerzas. Estas fuerzas se
clasifican en:
a) Fuerza de Gravedad
b) Fuerza Electrostática o Electromagnética
c) Fuerza Nuclear Fuerte
d) Fuerza Nuclear Débil
En el mundo del átomo “las partículas elementales se clasifican de
acuerdo con sus interacciones”. por lo tanto existen para cada
interacción, un tipo de partícula específica (Young y Freedman)
Fuerza de la Gravedad
Todos los cuerpos son atraídos por una fuerza que es
directamente proporcional a sus masas, e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. La
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 40
fuerza gravitacional es la causante de que los cuerpos caigan y del
movimiento de los cuerpos celestes que se encuentran en el universo.
F = G . M . m / R2
La fuerza gravitacional tiene radio de acción infinito.
Fuerza electrostática o Electromagnética
Este tipo de fuerza explica las fuerzas de atracción y de repulsión que
existen entre cuerpos cargados eléctricamente. Si dichos cuerpos o
partículas tienen el mismo signo de las cargas (positivas o negativas)
existirá una fuerza de repulsión. Si las cargas son de distinta naturaleza
aparecen la fuerza de atracción.
Fuerza Nuclear Fuerte
Es la interacción que permite mantener los nucleones (protones y
neutrones) unidos. Mantiene unidos a los quarks para formar
hadrones, (protones, neutrones y mesones) dando estabilidad al núcleo
atómico y como consecuencia hace posible la existencia de la materia.
Fuerza Nuclear Débil
Este tipo de fuerza es responsable de la desintegración "β" de los
núcleos de los átomos, es decir, de que un quark de un tipo se
transforme en un quark de otro tipo.
Es una fuerza más débil que las tres anteriores lo que permite las
emisiones radiactivas. La desintegración "β" libera electrones del
núcleo atómico.
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Video: Fuerzas Fundamentales de la Naturaleza
https://www.youtube.com/watch?v=xBFxNWq8vZE
Dentro del Tema estudiaremos las que actúan a nivel nuclear.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 41
Enlaces
http://www.batanga.com/curiosidades/2011/06/07/las-4-fuerzas-
fundamentales-de-la-fisica-actual
http://fuerzasfundamentales.blogspot.com.es/2011/10/introduccion-
fuerzas-fundamentales-de.html
http://fm-fuerzas.blogspot.com.es/p/conclusion.html
2.5.1.- Fuerza Nuclear Fuerte
El modelo atómico propuesto por Ernest Rutherford predecía que los
protones y neutrones estaban agrupados en el núcleo atómico. Los
protones tienen carga eléctrica positiva. Los protones generarían entre
ellos una fuerza electrostática de REPULSIÓN. Estas fuerzas de
repulsión no permitirían la formación de núcleos de átomos de
elementos químicos y por lo tanto la existencia de la materia. Sin
embargo los protones no se repelen entre sí desobedeciendo la ley de
Coulomb. Sabemos a ciencia cierta que los núcleos atómicos existen,
luego debe de existir algún tipo de fuerza que anule o equilibre las
fuerzas de repulsión. La respuesta llegó con la aparición de la Fuerza
Nuclear Fuerte., la cual predomina sobre la anterior y hace posible
que se mantengan unidos los componentes nucleares. Esta fuerza actúa
indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones
(protón - protón; protón - neutrón; neutrón - neutrón)). Su alcance es
del orden de las dimensiones nucleares.
Recordemos que los protones y neutrones están constituidos por los
quarks, por lo tanto las Fuerzas de Interacción Fuerte mantienen
unidos a los quarks.
La teoría de la Cromodinámica Cuántica establece que las fuerzas de
Interacción Nuclear Fuerte están constituidas por Cargas de Color ( las
cargas de color no tienen nada que ver con el concepto que tenemos de
color, se trata de estados cuánticos).
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 42
En los años 30 (1930) el científico Yukawa publicó un artículo en el que
planteó la hipótesis que explicara la Fuerza Nuclear Fuerte. Este tipo
de fuerza se transmitía a través de partículas. El transmisor de la
Fuerza Nuclear Fuerte debía ser una verdadera partícula. La idea se
basa en que si tenemos un protón y otro cerca de él, para que el
primero atraiga al segundo el primer protón debe crear una partícula
lanzarla hacia el segundo y este recogerla. Estas partículas son los
gluones, que también tienen carga de color y por lo tanto pueden
interactuar entre ellos.
La unión de partículas en el núcleo atómico se produce mediante las
cargas de color de los quaks y antiquarks. Cuando un quark lanza un
gluón a otro quark se tranforma en su antiquarks.
La fuerza entre partículas con carga de color es la más intensa de la
cuatro fuerzas elementales de la Naturaleza (gravitatoria,
electrostática y Fuerza de Interacción Débil), llegando a crear lo que se
conoce como " confinamiento de color".
Los gluones son las partículas portadoras de la Fuerza Nuclear Fuerte:
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Video: Fuerza Nuclear Fuerte. Los gluones
https://www.youtube.com/watch?v=g-ZHRzC_l7M
Video: Intercambio de gluones entre quarks
https://www.youtube.com/watch?v=cvTIqHdTQhg
Los quarks pueden presentar seis tipos de carga de color: rojo, azul,
verde, antirojo, antiazul y antiverde. Las cargas antiroja, antiazul y
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 43
antiverde están relacionadas con las correspondientes roja, azul y
verde. Unas serían las cargas positivas clásicas y las otras las negativas.
Los gluones tienen una carga de color resultante de la combinación
color - anticolor, por ejemplo, se puede tener un gluón rojo-antiazul o
un gluón verde-antirojo.
La fuerza repulsiva entre dos protones (la misma carga eléctrica) que
debería existir desaparece al trabajar con fuerzas de Interacción Fuerte
en donde las únicas cargas que existen son las de Color.
La Fuerza Nuclear Fuerte entre nucleones (protones y neutrones) se
realiza mediante piones. Esta fuerza mediante la transferencia de
piones es de poco alcance, a niveles de radios nucleares. Cada neutrón o
protón puede "emitir" y "absorber" piones cargados o neutros. Esta
transferencia implica la transformación de un protón en un neutron y
viceversa.
Nos encontramos con la siguiente situación: un protón emite
inicialmente un pión positivo convirtiéndose en un neutrón, el pión
positivo es reabsorbido por un neutrón convirtiéndose en un protón:
p+ → n
o + π
+
no + π
+ → p
+
El efecto neto de ese intercambio es una fuerza atractiva entre protones:
p+ → n
o + π
+
no + π
+ → p
+
----------------------------------------------------------------
p+ → p
+
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 44
Otra posibilidad sería:
Un neutrón emite un pión negativo y se convierte en un protón, el pión
negativo al ser reabsorbido por otro protón da lugar a un neutrón:
no → p
+ + π
-
p+ +→ π
- + n
o
El efecto resultante sería una fuerza atractiva entre neutrones.
no → p
+ + π
-
p+ → π
- + n
o
-------------------------------------------------------------------
n0 → n
0
Como conclusión podemos establecer:
a) En la Fuerzas de Interacción Fuerte no existen cargas eléctricas
b) Los quarks (dentro del nucleón correspondiente) se unen mediante
la fuerza de Interacción Nuclear Fuerte por el intercambio de
"gluones"
c) La unión entre:
Protón - Protón
Protón - Neutrón
Neutrón - Neutrón
se produce por el intercambio entre partículas compuestas de "piones"
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Video: Fuerza Nuclear Fuerte
https://www.youtube.com/watch?v=AtAFdxlJ1m4
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 45
Video: Fuerza Nuclear Fuerte
https://www.youtube.com/watch?v=x6Vbb6MRLts
Video: Los Gluones
https://www.youtube.com/watch?v=g-ZHRzC_l7M
Video: Los Kuarks y los Gluones
https://www.youtube.com/watch?v=cvTIqHdTQhg
Enlaces
http://www.batanga.com/curiosidades/4259/propiedades-de-la-fuerza-
nuclear-fuerte-confinamiento-y-libertad-asintotica
http://www.particleadventure.org/spanish/strongs.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/astro/stem.html
http://astroverada.com/_/Main/T_strong.html
http://www.windows2universe.org/sun/Solar_interior/Nuclear_Reactio
ns/Nuclear_forces/strong.html&lang=sp
http://www.alt64.org/wiki/index.php?title=Interacciones_nucleares
2.5.2.- Fuerza Nuclear Débil
La Fuerza Nuclear Débil es una interacción que forma parte de las
cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza.
El proceso de Interacción Débil se lleva a cabo por la combinación de
partículas elementales para lograr que los neutrones se conviertan en
protones.
Las partículas portadoras de la Interacción Débil se clasifican según el
spin cuántico[1]:
a) Bosones.- Los bosones W y Z son las partículas mediadoras de la
Iinteracción Nuclear Débil. Poseen un spin entero y tienen mucha
masa.
b) Fermiones.- Se caracterizan por tener espín semi-entero (1/2, 3/2,).
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 46
[1] El espín o momento angular intrínseco se refiere a una propiedad
física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula
elemental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo.
Son dos tipos de partículas fundamentales ( Bosones y Fermiones), se
encargan en general de cambiar el Sabor de la partícula (Cada tipo de
quark se denomina sabor. Hay pues seis "sabores" de quarks.
Al estar presente tanta partícula en este proceso cabe recordar que los
protones y los neutrones son partículas que están formadas por la
combinación de tres quarks cada uno de ellos. Al ser solo
combinaciones de quarks es fácil pasar de un neutrón a un protón.
Este tipo de interacción de quarks causa una forma de radiactividad
llamada decaimiento beta, en este proceso el neutrón se transforma
en protón y se eliminan un electrón y una partícula casi sin masa
llamada antineutrino.
Esquema del decaimiento beta:
Observar que el decaimiento Beta consiste en transformar un quark
"d" en un quark "u".
El Decaimiento Beta se produce de forma natural en los elementos
químicos radiactivos. Este decaimiento es por lo tanto un fenómeno de
radiactividad, concretamente en la "radiación β" que consiste en lo
mismo que el "decaimiento Beta". El átomo libera electrones del
núcleo.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 47
Esta misma Interacción Débil es la responsable de la conversión no
solo de neutrones en protones, sino también de la desintegración de
muchas partículas inestables como:
a) piones en muones
b) muones en electrones
La Interacción Débil es más fuerte que la gravitación a cortas distancias.
Después de lo escrito y leído podemos concluir que la Fuerza de
Interacción Débil Nuclear se caracteriza por:
a) Es la única fuerza que afecta a los neutrinos.
b) Es la única interacción capaz de cambiar los números cuánticos
categorizados como sabor (no se refiere al sentido del gusto)
característica propia de los leptones y quarks en la interacción débil.
c) La partícula mediadora son los bosones.
d)La fuerza débil es la encargada de transformar automáticamente
masa en temperatura y velocidad de reacción de algunas reacciones
nucleares que ocurren en estrellas como el sol.
Es por efecto de esta interacción la producción del brillo y la energía en
interior del Sol y las estrellas. Esto ocurre “cuando dos protones
(núcleos de hidrógeno) están muy próximos, gracias a la fuerza nuclear
débil, tenga lugar la transformación de un protón (p) en un neutrón
(n), un electrón positivo (e+) y un neutrino (νe).”
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Video: Fuerza Nuclear Fuerte y Débil
https://www.youtube.com/watch?v=GiQGugIoSm8
Video: Fuerza Nuclear Fuerte y Débil
https://www.youtube.com/watch?v=DVfWu-wu_nM
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 48
Video: Los Kuarks. Fuerza Nuclear Fuerte y Débil
https://www.youtube.com/watch?v=GiQGugIoSm8
Enlaces
http://www.particleadventure.org/spanish/npes.html
http://fm-fuerzas.blogspot.com.es/p/fuerza-nuclear-debil.html
http://astroverada.com/_/Main/T_weak.html
http://fuerzasfundamentales.blogspot.com.es/2011/11/fuerza-
interaccion-nuclear-debil.html
http://cienciaetecnologias.com/interacao-nuclear-fraca/?lang=es
2.6.- Energía del Núcleo Atómico
Los esposos Curie habían observado que cada átomo de una sustancia
radiactiva funciona como una fuente constante de energía. Más tarde
Rutherford y Soddy habían hecho ver que esa energía salía del interior
del átomo y que debía de ser enorme comparada con la producida por
cambios químicos. Hoy día se sabe que esa energía proviene del
NUCLEO de los átomos.
Se define la Energía Nuclear como la energía necesaria para separar
los nucleones (protones y neutrones) de un núcleo, o bien como la
energía que se libera cuando se unen los nucleones para formar el
núcleo..
Como los núcleos de los átomos están formados de protones y
neutrones, es de esperarse que la masa del núcleo pudiera
determinarse sumando la masa de ellos. Sin embargo, se demostró, con
gran sorpresa de los científicos, que la masa total de un núcleo es
diferente de la suma de la masa de los protones y neutrones. Todos los
núcleos de los elementos ligeros, excepto el del hidrógeno, pesan menos
que la suma de las masas de sus neutrones y protones.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 49
Esta diferencia se conoce como Defecto Másico. Al fusionarse los
nucleones para formar un núcleo se desprende una enorme cantidad
de energía, conocida como energía de fusión.
La energía asociada al Defecto Másico se puede calcular por la
ecuación de Einstein:
E = m . c2
En donde "m" es el defecto másico y "c" la velocidad de la luz.
Esta ecuación indica que la masa se puede transformar en energía y la
energía en masa y, además, que una pequeña cantidad de masa se
transforma en una cantidad de energía verdaderamente asombrosa, pues
el valor de c = 300.000 Km/s = 3 . 108 m/s, es una cantidad muy grande,
y al elevarla al cuadrado se vuelve enorme.
La energía nuclear sería la equivalente a la destrucción de todas las
fuerzas de unión entre partículas dentro del núcleo atómico. En los
núcleos livianos se observa un aumento abrupto de la energía de enlace
por nucleón frente al número másico A.
El máximo de energía corresponde a núcleos semipesados como los
correspondientes al Fe, Co, Ni con un valor del número másico de
A = 62, donde las fuerzas de atracción serán máximas.
El decrecimiento de la energía para A > 60 se debe a la repulsión
eléctrica entre los protones cuyo número va aumentando y reduce por
tanto la estabilidad de los núcleos.
En general, la energía nuclear es millones de veces más eficiente que la
energía obtenida por la combustión al carbón (combustibles fósiles).
La energía nuclear se puede liberar en forma muy rápida mediante
reacciones nucleares:
a) La reacción de fisión nuclear del 235
U
b) La reacción de fusión de los núcleos ligeros, como los núcleos de
hidrógeno para formar núcleos de helio.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 50
La energía nuclear también puede ser liberada mediante la
desintegración radiactiva de núcleos de átomos inestables.
Para obtener una mejor estabilidad, el átomo inestable se transforma
en otro tipo de átomo más estable, mediante la emisión de energía en
forma de radiación. Este fenómeno se conoce como Radiactividad.
En la naturaleza, la mayoría de los elementos son estables.
Pero, también existen algunos inestables, y para lograr la estabilidad,
se desintegran gradualmente emitiendo una o varias partículas y allí
aparece la energía en forma de radiación. Este fenómeno se produce de
modo natural. Vivimos desde siempre en un medio ambiente
naturalmente radiactivo, estamos hablando de la Radioactividad
Natural.
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Video: Energía del Átomo
https://www.youtube.com/watch?v=x2KaWHlbiNM
Enlaces
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/42/h
tm/sec_11.html
http://www.educarchile.cl/ech/pro/app/detalle?ID=133193
http://erenovable.com/energia-atomica/
http://www.ecured.cu/N%C3%BAcleo_At%C3%B3mico
http://www.escritoscientificos.es/trab1a20/carpetas/nuclear/nu02.htm
http://assets.mheducation.es/bcv/guide/capitulo/8448169549.pdf
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 51
2.7.- Reacciones Nucleares. Radiactividad
En los núcleos más ligeros, con un valor de Z aproximado a 20 (20
protones y 20 neutrones), los núcleos son estables. Encontramos pues
que la relación entre el número de protones y neutrones son los
determinantes de la estabilidad de los núcleos atómicos..
En los núcleos de elementos químicos pesados contienen más neutrones
que protones. Pero al ir añadiendo protones y neutrones llega un
momento que el diámetro nuclear es mayor que la distancia de acción
de la fuerza nuclear fuerte. Cuando el tamaño nuclear supera los 60
protones y neutrones se hace inestable. Los protones más alejados
solamente notan la fuerza de repulsión electrostática, la fuerza nuclear
fuerte no los alcanza, y salen despedidos del núcleo en direcciones
opuestas. Se produce el Decaimiento Beta estudiado en el apartado
anterior y en donde se manifestaba que un neutrón se transformaba en
un protón y se liberaba un electrones y un antineutrino. De esta forma
el núcleo se hacía más estable porque ese decaimiento implicaba que el
núcleo inicial se transformara en el núcleo de un nuevo elemento
químico más ligero y liberación de energía en forma de radiación.
Un núcleo inestable se vale de la radiactividad para liberarse de todas
aquellas partículas que le confieren una mayor energía, para alcanzar
un estado de mayor estabilidad y mínima energía. Con esto, el núcleo
inestable disminuye su relación neutrón/protón.
El Decaimiento Beta es una radiación tipo β (emisión de electrones
procedentes del núcleo atómico):
W-
no → p
+ + 1 e
- + V
La estabilidad nuclear se consigue mediante las reacciones nucleares
que son las que dan origen a la Radiactividad.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 52
Una reacción nuclear es un proceso de combinación y transformación de
las partículas y núcleos atómicos. Una reacción nuclear se representa
mediante una ecuación que muestra el proceso en el que intervienen
núcleos atómicos, estamos hablando de la "Radiactividad Natural".
Existen otro tipo de reacciones nucleares consistentes en el bombardeo
de un núcleo con otros núcleos de menor tamaño o, incluso, con
partículas subatómicas. En esto consistiría la Radiactividad
Artificial. Como ejemplos de reacciones nucleares tenemos:
27
Al13 + 4He2 →
30P15 +
1no
14
N7 + 4He2 →
17O8 +
1p1
7Li3 +
1P1 →
4He2 +
4He2
27
Al13 + 1no →
27Mg12 +
1p1
En todas estas reacciones se debe conservar la masa (la suma de los
números másicos de los productos y reactivos es la misma) y la carga
(la suma de los números atómicos, en productos y reactivos es la
misma), dicho de otra manera, la suma de los exponentes y de
subíndices debe permanecer constante en los dos miembros de la
reacción nuclear.
El origen de la radiactividad tiene lugar en 1869 por los experimentos
realizados por Becquerel al descubrir que un compuesto natural del
uranio emitía radiaciones.
El matrimonio Pierre y Marie Curie encontraron otro elemento,
el Torio, que emitía el mismo tipo de radiación que el Uranio.
Las radiaciones producidas por el uranio y el torio reciben el nombre
de "Ionizantes" porque poseen un nivel de energía, que al
interaccionar con la materia, producen ionización en ésta. Es decir, son
capaces de modificarla a nivel atómico y molecular.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 53
Las emisiones emitidas en el fenómeno de la Radiactividad pueden ser.
a) Electromagnéticas
b) Rayos X o rayos gamma
c) Corpusculares
1.- Núcleos de helio
2.- Electrones
3.- Positrones
4.- Protones
En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos
elementos inestables, que son capaces de transformarse o decaer,
espontáneamente, en núcleos atómicos de otros elementos más estables.
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Video: La Radiactividad. Esposos Curie y Becquerel
https://www.youtube.com/watch?v=Y15JROM48yI
La Radiactividad se clasifica en:
a) Radiactividad Natural
b) Radiactividad Artificial
2.7.1.-Radiactividad Natural
Existen tres tipos de radiaciones emitidas por compuesto radiactivos:
a) Radiación "α"
b) Radiación "β"
c) Radiación "ᵧ"
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EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 54
Video: Reacciones Nucleares
https://www.youtube.com/watch?v=VodUVQWcnUU
2.7.1.1.- Radiación "α"
Consiste en la emisión de núcleos de átomos de Helio, 4He2, la llamada
partícula "α". La partícula "α" son átomos de He ionizados (He+2
).
Representaremos dicha partícula en las reacciones nucleares como 4He2. Cuando un núcleo inestable emite una partícula "α" se crea otro
átomo de un elemento químico distinto en donde su número másico (A)
se reduce en 4 unidades y su número atómico (Z) en 2 ( 1ª Ley de Fajan
y Soddy sobre la Desintegración Nuclear):
AXZ →
A-4YZ-2 +
4He2
Esta radiación es típica de elementos químicos de núcleos atómicos
muy pesados. Como ejemplo:
210
Po84 → 206
Pb82 + 4He2
Con esta radiación el Po que es inestable se transforma en átomos de
plomo que son estables.
2.7.1.2.- Radiación "β"
Son electrones emitidos por el núcleo con gran velocidad y energía.
Sabemos que los electrones se encuentran orbitando alrededor del
núcleo en la corteza electrónica. ¿Cómo es posible la emisión de
electrones por parte del núcleo del átomo cuando en este no existen
electrones?. El Decaimiento Beta da respuesta a esta cuestión. El
Decaimiento Beta consiste en la transformación de un neutrón en un
protón liberándose un electrón.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 55
1n0 → p
+ + e
- + 1 neutrino
Como resultado de una radiación "β" es un nuevo átomo cuyo número
másico (A) permanece constante pero su número atómico (Z) aumenta
en una unidad (2ª Ley de Fajan y Soddy sobre la Desintegración
Radiactiva):
AXZ →
AYZ+1 +
oe-1
Como ejemplo veamos la desintegración del Bismuto - 210 (otra forma
de representar los isótopos de un elemento químico):
210
Bi83 → 210
Po84 + 0e-1
2.7.1.3.- Radiación "ᵧ"
Son radiaciones electromagnéticas o fotones que son emitidas junto a
las partículas "α" y "β".
La radiación "ᵧ" no modifica el número másico ni el número atómico
del núcleo emisor de la radiación. No se crea un átomo nuevo.
Ejemplo:
125
Te52 → 125
Te52 + "ᵧ"
El poder de penetración en nuestro organismo (riesgo de cáncer) es:
"ᵧ" > "β" > "α"
Los isótopos naturales, unos cuarenta, terminan transformándose en
otros isótopos hasta llegar a convertirse en uno estable del plomo.
Todas la transmutaciones atómicas ocurren por emisiones alfa y beta.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 56
Cuando un núcleo se va desintegrando, emite radiación "α" o "β" y da
lugar a otro núcleo distinto también radiactivo, que emite nuevas
radiaciones. El proceso continuará hasta que aparezca un núcleo
estable, no radiactivo. Todos los núcleos que proceden del inicial
(núcleo padre) forman una serie radiactiva o Reacciones en cadena
radiactiva.
2.7.1.4.- Series Radiactivas o Reacciones Nucleares en
Cadena
Se conocen tres series radiactivas de los isótopos naturales: la del
Torio, la del Actinio y la del Uranio.
Serie del Torio:
Para simplificación de la serie radiactiva estableceremos un código de
color para las flechas que nos indican el sentido de la desintegración
emitiendo una radiación:
Emisión de radiación "α"
Emisión de radiación "β"
232Th →
228Ra →
228Ac →
228Th →
224Ra →
220Rn →
216Po →
212Pb →
212Bi →
212Po →
208Pb ( Estable)
208
Tl → 208
Pb ( Estable)
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 57
Serie del Actinio o del 235
U:
235
U → 231
Th → 231
Pa → 227
Ac → 227
Th → 223
Ra → 219
Rn → 215
Po →
223
Fr
→ 211
Pb → 211
Bi → 207
Tl → 207
Pb (Estable)
215
At 211
Po
Serie del Uranio-238:
238U →
234Th →
234Pa →
234U →
230Th →
226Ra →
222Rn →
218Po →
→ 214
Pb → 214
Bi → 214
Po → 210
Pb → 210
Bi → 216
Po → 206
Pb (Estable)
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Video: Radiactividad Natural
https://www.youtube.com/watch?v=AhdRBpTI1wU
Video: Radiactividad Natural y Artificial
https://www.youtube.com/watch?v=V5gS5RfyQNw
Video: Radiación Natural y Artificial
https://www.youtube.com/watch?v=V5gS5RfyQNw
2.7.1.5.- Datación mediante la prueba del Carbono - 14
El isótopo del carbono 14
C6 ( En el núcleo: 6 p+ y 8 n
0) se desintegra
con la emisión de un electrón (-10e) transformándose en
14N7 (En el
núcleo: 7 p+ y 7 n
0), lo que se representa mediante la ecuación nuclear
siguiente:
14
C6 → 14
N7 + -10e
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 58
El carbono 14 tiene su origen principalmente en la atmósfera debido a
la acción de los rayos cósmicos sobre los átomos de nitrógeno:
14
N7 + 1no →
14C6 +
1H1
La vida media del radioisótopo 14
C6 es de 5580 años (tiempo que tarda
en desintegrarse la mitad de la muestra inicial de radioisótopo).
El 14
C6 es incorporado al dióxido de carbono de la atmosfera, CO2 (
carbono radiactivo). Ese dióxido de carbono es absorbido por las
plantas durante la fotosíntesis, de esta forma todas las plantas tienen
carbono - 14. Si los animales toman plantas, también tendrán carbono
- 14. Las plantas al asimilar el dióxido de carbono lo pueden hacer
mediante la forma radiactiva como la normal, 12
C6. Estableciéndose
una proporción 14
C6 / 12
C6 que permanece prácticamente constante
mientras la planta esté viva. Los animales y el hombre mediante la
alimentación guardan la misma relación entre los dos tipos de carbono.
Cuando la planta o el animal muere, deja de ingerir 14
C6 pero el que
existía en sus tejidos sigue desintegrándose por lo que la proporción 14
C / 12
C disminuirá con el tiempo con una velocidad que depende de su
periodo de semidesintegración. La medición de la radiactividad de un
objeto permite determinar la edad de la muerte de la planta o del
animal a partir de la cual se había fabricado. Dicha medición se utiliza
para la datación de fósiles animales y vegetales.
La prueba carbono 14 se utiliza para determinar la edad de artefactos
arqueológicos y material biológico hasta 50.000 años atrás tomando
como base la vida media de dicho átomo, 14
C. Se utiliza en huesos, tela,
madera y fibras de plantas creadas por la actividad humana.
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Video: Prueba del Carbono - 14
https://www.youtube.com/watch?v=YQB-GlspNA8
Video: Prueba Carbono - 14 en la Sábana Santa
https://www.youtube.com/watch?v=ledjYkyUaG0
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 59
Video: Prueba Carbono - 14 (1)
https://www.youtube.com/watch?v=dumlw3m8KM8
Video: Prueba Carbono - 14 (2)
https://www.youtube.com/watch?v=YRZ5UjFAYtY
Enlaces
http://www.batanga.com/curiosidades/4547/como-funciona-la-
datacion-por-carbono-14
http://ytusabes.blogspot.com.es/2011/01/en-que-consiste-la-prueba-de-
carbono-14.html
http://www.swagger.mx/natural/101-como-funciona-la-prueba-
carbono-14
2.7.2.- Radiactividad Artificial
Cuando aparece "Artificial" el hombre, a nivel científico, está
creando radiactividad y esperemos que con un fin que sea beneficioso
para la humanidad.
Los esposos Curie bombardearon núcleos de Boro y Aluminio (ambos
elementos con núcleos estables) con partículas "α". Observaron que
tanto el Boro como el Aluminio emitían radiaciones después de retirar
el compuesto químico radiactivo que emitía las partículas "α". Los
esposos Curie consiguieron convertir dos átomos con núcleos estables
en elementos radiactivos (sus átomos ya no tienen núcleos estables).
En la experiencia de los Curie se basa la Radiactividad Artificial o
Radiactividad Inducida. Se produce cuando se bombardean ciertos
núcleos estables con partículas apropiadas. Si la energía de estas
partículas tiene un valor adecuado, penetran en el núcleo bombardeado
y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra
después radiactivamente.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 60
En los últimos 50 años se han obtenido en el laboratorio más de 1200
isótopos radiactivos. El número de isótopos por elemento químico
varía desde uno (hidrógeno y boro) hasta 34 (indio). Todos ellos se
obtienen por reacciones de bombardeo, en las que un núcleo estable se
transforma en radiactivo.
Una reacción típica de bombardeo se produce, por ejemplo, cuando se
bombardea el isótopo estable del aluminio 27
Al13 con neutrones:
27
Al13 + 1n0 →
28Al13
Al absorber un neutrón se transforma en el isótopo 28
Al13 que es
inestable y se desintegra con emisión de un electrón formando un
isótopo estable de silicio, 28
Si14:
28
Al13 → 28
Si14 + 0e-1
Los primeros isótopos radiactivos artificiales fueron elaborados por
Irene Curie y Fréderic Joliot, bombardeando isótopos estables con
partículas "α" de elevado contenido energético. Un ejemplo es la
siguiente reacción:
27
Al13 + 4He2 →
30P15 +
1n0
El 30
P15 es radiactivo y se desintegra según la reacción:
30
P15 → 30
Si14 + 0e1 (Positrón, antipartícula del electrón e
-)
Si bombardeamos el 238
U92 con neutrones se pueden producir las
siguientes reacciones nucleares:
Simbología: AXZ
238U92 +
1n0 →
239U92 →
239Np93 +
0e-1 →
→ 239Np93 →
239Pu94 +
0e-1
239
Pu94 + 2 1n0 →
241Pu94 →
241Am95 +
0e-1
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 61
Si el bombardeo se realiza mediante iones (partículas "α", He+2
):
239
Pu94 + 4He2
+2 →
242Cm96 +
1n0
242
Cm96 + 4He2
+2 →
245Cf98 +
1n0
Si bombardeamos con el isótopo 12
C6:
238
U92 + 12
C6 → 246
Cf98 + 4 1n0
249
Cf98 + 12
C6 → 257
Unq104 + 4 1n0
Con el isótopo 15
N7:
249
Cf98 + 15
N7 → 260
Unp105 + 4 1n0
Con 18
O8:
249
Cf98 + 18
O8 → 263
Unh106 + 4 1n0
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Video: Radiactividad Natural y Artificial
https://www.youtube.com/watch?v=V5gS5RfyQNw
Aplicaciones de la Radiactividad Artificial
Las radiaciones ionizantes pueden ser útiles para:
a) Producción de energía
b) Esterilización de alimentos
c) Conocer la composición interna de diversos materiales
d) Detectar errores de fabricación y ensamblaje
e) En el campo de la medicina:
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 62
1.- Estudios diagnósticos (Medicina Nuclear y Radiología)
y tratamientos (Medicina Nuclear y Radioterapia)
2.- Análisis de elementos que se encuentran en concentraciones
muy bajas
f) Trazadores en estudios de procesos físicos, químicos, biológicos y
médicos
g) Control del espesor de hojas y láminas en las industrias del papel,
del hule y en general en espesores de láminas de plásticos
h) Control del llenado de líquidos en frascos y latas en industrias
como la cervecera y la de envasado de alimentos
i) Fuentes intensas de radiación en radiografías industriales y de la
medicina nuclear
j) Esterilización de material quirúrgico desechable
k) Esterilización de productos químicos y biológicos
l) Identificación del cabello humano, también puede utilizarse para
comparar manchas de grasa muy pequeñas, partículas de polvo
invisibles a simple vista y partículas de pintura de automóvil, también
casi invisibles, en casos de accidente. Otra ventaja de este análisis es
que las muestras sometidas a examen no sufren daño alguno y pueden,
por lo tanto, admitirse como prueba en los tribunales. En TV podemos
ver muchas series policiacas en donde el mejor instrumento para la
identificación del asesino consiste en pruebas científicas.
Los isótopos radiactivos (trazadores) han hecho posible grandes
avances en el conocimiento médico:
a) Han ayudado a realizar estudios sobre el cáncer
b) Sistemas que forman la sangre
c) Metabolismo del hierro
d) Actividad de las hormonas
e) Conocer el funcionamiento del hígado y riñón
f) La formación de vitaminas
g) Drogas
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 63
h) Leche
Se han realizado gran número de investigaciones en procesos
bioquímicos; por ejemplo:
a) El estudio del metabolismo de las grasas y formación del
colesterol
b) La biosíntesis de aminoácidos en el interior de las células
c) Estudios de genética
La exposición rápida a grandes dosis de radiaciones ionizantes y a
cuerpo entero en los accidentes radiológicos puede provocar un
síndrome hiperagudo en el que la muerte puede presentarse muy
rápidamente (minutos a horas). El sujeto presentará:
a) Nerviosismo extremo
b) Confusión
c) Náuseas
d) Vómito
e) Pérdida del conocimiento
Poco tiempo después aparecen:
a) Convulsiones y diarrea
b) Alteraciones de la bomba sodio-potasio
c) Edema cerebral
d) Meningitis
e) y muerte
Los efectos que la radiación produce en los organismos se han
clasificado en cuatro grupos:
a) Los que producen cáncer
b) Las mutaciones genéticas
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 64
c) Los efectos en los embriones durante el embarazo
d) Quemaduras por exposiciones excesivas
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Video: Radiactividad Natural y Artificial
https://www.youtube.com/watch?v=V5gS5RfyQNw
Video: Aplicaciones de las radiaciones en Medicina
https://www.youtube.com/watch?v=W_yj78z9bjo
Enlaces
http://www.taringa.net/posts/ciencia-
educacion/9807404/Radiactividad-y-sus-aplicaciones-en-la-vida-
diaria.html
http://www.escolar.com/lecturas/preguntas-y-respuestas/por-que-
5/por-que-es-util.html
http://radioactividadartificialoinducida.blogspot.com.es/
http://www.escuelapedia.com/radioactividad-natural-y-radioactividad-
artificial/
http://www.sociedadelainformacion.com/departfqtobarra/nuclear/radi
actividad/radioactividad.htmhttp://www.construmatica.com/construpe
dia/Radiactividad_Natural
http://www.educarchile.cl/ech/pro/app/detalle?ID=136399
http://unidadderadiactividad.blogspot.com.es/p/particulas.html
http://www.detectivedonradon.com/2012/03/14/origen-de-la-
radiactividad-natural/
http://blogdequimica4.blogspot.com.es/2011/09/el-nucleo-inestabilidad-
nuclear.html
2.8.- Reacciones Nucleares
La energía nuclear es aquella que se libera como resultado de una
reacción nuclear, dicho de otra forma, el fenómeno radiactivo
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 65
lleva como consecuencia de liberalización de energía, por dos
razones:
a) El fenómeno de la radiactividad es un proceso exotérmico
b) La existencia del "Defecto Másico" ( E = m . c2)
Si nuestro objetivo es obtener energía podemos seguir dos procesos:
a) Reacción Nuclear de Fisión.- División de núcleos atómicos
pesados
b) Reacción Nuclear de Fusión.- Unión de núcleos atómicos muy
livianos
Como dato: Una reacción nuclear es un millar de veces más energética
que una reacción química normal, por ejemplo, la generada por la
combustión del combustible fósil del metano.
2.8.1.- Reacciones de Fisión Nuclear
En las reacciones nucleares un núcleo, de un elemento químico pesado,
es desintegrado en otro núcleo o núcleos más ligeros. La
desintegración tiene lugar mediante el bombardeo de un núcleo inicial
por una partícula subatómica que nosotros consideraremos que es el
"neutrón". En este proceso se libera gran cantidad de energía debido a
que el núcleo pesado es menos estable que sus productos. Además de los
núcleos más ligeros también se liberan "neutrones". No es un error lo
escrito (bombardeo con neutrones y liberación de uno o varios
neutrones). La Fisión Nuclear es producida por "neutrones" y además
se crean más "neutrones". Veamos un ejemplo de fisión nuclear:
235
U92 + 1n0 →
134Xe54 +
100Sr38 + 2
1n0
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 66
neutrón
100Sr38
neutrón
neutrón
neutrón
134
Xe54
neutrón
Los núcleos resultantes (100
Sr38 y 134
Xe54) son inestables y por tanto
podrán desintegrarse emitiendo electrones o positrones mediante la
Desintegración Beta.
La fisión del uranio-235 se caracteriza por:
a) No se produce una gran liberación de energía
b) Se producen más neutrones que los utilizados en el bombardeo
inicial
Por esta propiedad es posible obtener una "reacción nuclear en
cadena", es decir, una secuencia de reacciones de fisión nuclear
autosuficientes. Los neutrones generados en las etapas iniciales de la
fisión pueden inducir fisión en otros núcleos de uranio-235, que a su
vez producen más neutrones, y así sucesivamente. En menos de un
segundo, la reacción se vuelve incontrolable, liberando una gran
cantidad de calor a los alrededores.
235U92
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 67
neutrón
La reacción en cadena debe ser controlada. Para ello los neutrones son
frenados, para que no explote el reactor, mediante unas barras de
control (generalmente, de Carburo de Boro). Estas barras absorben
neutrones disminuyendo el número de fisiones. Dependiendo del
número de barras que se introduzcan se generará mayor o menor
energía calorífica. Si el números de barras de absorción de neutrones
es muy elevado las fisiones se reducirían al máximo llegándose
U
U
U
U
U
U
U
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 68
inclusive a la parada del reactor de la central nuclear. En el reactor
existen las barras de absorción en un número determinado y estudiado
para que en caso de accidente todas las barras entrarían en
funcionamiento y el reactor se pararía.
Este calor, calienta unas tuberías de agua, y esta se convierte en vapor,
que pasa por unas turbinas, haciéndolas girar. Estas a su vez, hacen
girar un generador eléctrico, produciendo así electricidad.
El reactor se refrigera, para que no se caliente demasiado, y funda las
protecciones, incluso cuando este esté parado, ya que la radiación hace
que el reactor permanezca caliente.
Como combustible se utilizan barras de Uranio enriquecido al 4% con
Uranio-235. El Uranio natural es mayoritariamente U-238, el que es
fisionable es el U-235, que es un 0,71% del Uranio que se encuentra
en la naturaleza, de ahí que solo un pequeño porcentaje del Uranio se
aproveche y se requieran grandes cantidades de este para obtener una
cantidad significativa de U-235.
Enlazar online para visualizar los videos
Video: Fisión Nuclear
https://www.youtube.com/watch?v=AOwe5WrruY0
Video: Energía Nuclear
https://www.youtube.com/watch?v=kS5ads9zEdc
Video: Reactor nuclear
https://www.youtube.com/watch?v=TCYPafKI1Jk
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 69
Energía de la Fisión Nuclear
El Uranio fisionable es el Uranio - 235 (
235U). En este fenómeno de
fisión se liberan 200 MeV de energía.
El U-235 se encuentra de forma natural en un mineral
llamado Pechblenda que contiene un gramo de Uranio por cada
kilogramo de mineral.
En este mineral el contenido de Uranio - 235 es del 0,7 %. Si
suponemos un Kilogramo de dicho mineral:
1000 g Pechblenda . 0,7 g 235
U / 100 g Pechblenda = 7 g 235
U
Ma 235
U = 235 u (unidades de masa atómica)
1 mol 235
U = 235 g
1 mol 235 - U = 6,023 . 1023
núcleos de 235
U
Podemos establecer que:
235 g de 235
U / 6,023 . 1023
núcleos de 235
U
Nuestra muestra supuesta contiene 7 g de 235
U:
7 g 235
U . 6,023 . 1023
núcleo de 235
U / 235 g de 235
U = 0,18 . 1023
núcleos
Recordemos que: 1 núcleo 235
U / 200 MeV (Dato)
0,18 . 1023
núcleo de 235
U . 200 MeV/ 1 núcleo de 235
U = 36 . 1023
MeV =
= 36 . 1029
eV
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 70
1 eV = 1,6 . 10-19
J
36 . 1029
eV . 1,6 . 10-19
J / 1 eV = 57,6 . 1010
J . 1 Kj / 1000 J =
= 57,6 . 107 Kj
Conclusión:
1 Kg de Pechblenda → 7 g de 235
U → Se libera una energía
calorífica de 57,6 . 107 Kj
Si el Uranio - 235 está enriquecido partimos de una concentración de
este isótopo del 3 - 5 % con lo que la energía liberada será muchísimo
mayor (el enriquecimiento del Uranio - 235 se verá más adelante).
Es importante poner de manifiesto que todos los núcleo no son
fisionables. Solo lo hacen de forma espontanea los núcleos pesados con
valores de Z muy grandes (Uranio, Torio). El Uranio tiene Z = 92. Los
elementos de Z > 92 no existen en la naturaleza, deben fabricarse
artificialmente. Esta es la razón de que en las centrales nucleares se
utilice el Uranio como combustible.
El Uranio - 235, el utilizado en las centrales nucleares, no es el Uranio -
235 que existe en la naturaleza formando parte de de la Pechblenda.
Este mineral contiene únicamente el 0,7 % de este isótopo del Uranio.
Para poder ser utilizado se debe proceder al enriquecimiento del
mismo para conseguir una cantidad comprendida entre un 3 - 5 %. El
enriquecimiento del Uranio - 235 requiere que el mineral sea
transformado en gas a baja temperatura. Se procede a bombear gas de
flúor hacia una planta de conversión de minerales, el gas de óxido de
uranio reaccionará con el gas de flúor y con esto se producirá
hexafluoruro de uranio (UF6). Se deja que el gas actúe para separar y
reunir los isótopos de Uranio - 235.
El Uranio - 235 también tiene aplicación en otros campos con objetivos
muy distinto al de las centrales nucleares. Hablamos de BOMBAS
(PUM), como las arrojadas sobre Hiroshima y Nagasaki.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 71
Para poder eliminar la contaminación ambiental y por tanto el
Calentamiento Global debemos abandonar los combustibles fósiles y
utilizar la energía eléctrica. Hoy día (2016) ya van apareciendo los
vehículos que utilizan la electricidad para sus desplazamientos. La
cantidad de energía eléctrica necesaria para eliminar los fenómenos
anteriores no pueden ser proporcionadas por las energías renovables
(eólica, geotérmica, etc). Le tenemos mucho miedo a la energía nuclear
pero, en mi opinión, es la única que puede resolver los problemas
medioambientales.
Enlazar online para visualizar los videos
Video: Fisión y Fusión
https://www.youtube.com/watch?v=JXiGB__Ov7w
Video: Energía atómica. Fusión y Fisión
https://www.youtube.com/watch?v=vyF_WNlRndY
Video: Funcionamiento de una Central Nuclear
https://www.youtube.com/watch?v=AOwe5WrruY0
Video: Funcionamiento de una Central Nuclear
https://www.youtube.com/watch?v=_SDaXT5TLfM
Video: Funcionamiento de una Central Nuclear
https://www.youtube.com/watch?v=kS5ads9zEdc
Video: Energía Nuclear (Inglés)
Video: Energía Nuclear
https://www.youtube.com/watch?v=4_Jd4l0ptYA
Video: Central Nuclear
Video: Energía Nuclear
https://www.youtube.com/watch?v=pXUXIHtfXgA
Video: Central Nuclear
Video: Energía Nuclear
https://www.youtube.com/watch?v=UdHRcQwGn2k
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 72
Enlaces
http://www.escritoscientificos.es/trab1a20/carpetas/nuclear/nu04.htm
http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/usrn/lentiscal/2-CD-
Fiisca-TIC/2-9Nuclear/Nuclear-Teoria-
rWeb/ELEMENTOS%20BASICOS%20DE%20FISICA%20NUCLE
AR.htm
http://www.fisicanet.com.ar/quimica/estructura_atomica/ap10_nucleo_
atomico.php
http://www.monografias.com/trabajos82/estructura-del-nucleo-
atomico/estructura-del-nucleo-atomico.shtml
https://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080328103902AA
Cfj6z
http://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-nuclear/fision-nuclear
http://web.educastur.princast.es/proyectos/jimena/pj_franciscga/fusion
yfision.htm
http://www.fisicahoy.com/talleres/fision_nuclear_reacciones_en_caden
a
https://www.tplaboratorioquimico.com/quimica-general/quimica-
nuclear/fision-nuclear.html
2.8.2.- Fusión Nuclear
La fusión nuclear constituye un proceso de tipo inverso al de la fisión
en el cual dos núcleos ligeros se reúnen para formar uno más pesado.
A medida que los núcleos (dos, por ejemplo) se acercan aparecen
fuerzas de repulsión electrostática. Estas fuerzas se deben vencer para
que se produzca la fusión de los dos núcleos y esto lo conseguiremos
con energías cinéticas adecuadas de los núcleos.
Las fuerzas de repulsión electrostática aumentan al aumentar el
número atómico (Z) lo que nos indica que la fusión será posible para
núcleos ligeros.
El hidrógeno, en condiciones normales de temperatura, se repele entre
sí cuando intentas unirlo (fusionarlo) a otro átomo de hidrógeno. Para
vencer esta repulsión electrostática, el átomo de hidrógeno debe chocar
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 73
violentamente contra otro átomo de hidrógeno, fusionándose, y dando
lugar a Helio, que no es fusionable. La diferencia de masa entre
productos y reactivos es mayor que en la fisión, liberándose así una
gran cantidad de energía (muchísimo mayor que en la fisión). Estos
choques violentos, se consiguen con una temperatura del orden de los
109 K, , que hace aumentar la velocidad de los átomos.
Las reacciones de fusión reciben el nombre de Reacciones
Termonucleares por las altas temperaturas que requieren para su
producción.
En la Fusión también existen reacciones en cadena. Como ejemplo de
estas reacciones en cadena tenemos el denominado ciclo de Critchfield
o ciclo protón-protón , cuyas etapas son:
1 H¹ + 1 H¹ → 1 H² + e+ + υ
1 H¹ + 1 H² → 2 He³ + γ
2 He³ + 2 He³ → 2 He4 + 21 H¹
donde e+ y υ (positrón y neutrino). La cantidad de energía liberada en
un ciclo completo es, en este caso, de 26,2 MeV.
Otras reacciones de fusión:
2D1 +
2D1 →
3T1 +
1H1 + 4.03 MeV
2D1 +
2D1 →
3 He2 +
1n0 + 3.27 MeV
2D1 +
3T1 →
4He2 +
1n0 + 17.6 MeV
donde: 1H1 = Isótopo del Hidrógeno (Protio)
2D1 = Isótopo del Hidrógeno (Deuterio)
3T1 = Isótopo del Hidrógeno (Tritio)
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 74
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Video: Fisión y Fusión
https://www.youtube.com/watch?v=JXiGB__Ov7w
Video: Energía atómica. Fusión y Fisión
https://www.youtube.com/watch?v=vyF_WNlRndY
Se está investigando sobre las reacciones de fusión en cadena pero lo
conocido no es lo suficientemente importante como para llevar la
teoría a la práctica y poder crear las centrales nucleares de fusión.
Enlazar online para visualizar los videos
Video: Posible planta nuclear de fusión en 30 años
https://www.youtube.com/watch?v=gT7LRj3BRKw
Sin embargo lo conocido sobre la fusión nuclear ha sido suficiente para
crear artilugios mortíferos para todos los seres vivos del planeta.
Estamos hablando de la bomba de Hidrógeno.:
Bomba de Hidrógeno es el nombre popular:
a) Bomba Termonuclear.- Por las elevadas temperaturas que produce
b) Bomba de fusión .- En una de sus etapas utiliza reacciones de Fusión
En este tipo de bomba se utilizan:
a) Reacciones de Fisión
b) Reacciones de Fusión
La bomba de Hidrógeno se basa inicialmente en un proceso de fisión y
posteriormente realizar la fusión de átomos de Hidrógeno
consiguiéndose una bomba Termonuclear. El proceso de fisión consiste
en la división de átomos Uranio - 235 o Plutonio - 239 para
posteriormente dar paso la fusión de átomos de hidrógeno. Se consigue
de esta forma una doble función mortífera:
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 75
a) La emisión de radiaciones.- Problemas de Cáncer
b) Muy elevada temperatura.- Por la liberación de radiación
electromagnética. Problemas de los diferentes niveles de quemaduras
en los cuerpos humanos.
Una bomba Atómica de Fisión (Hiroshima y Nagasaki) al estallar
libera una energía que se mide en kilotones, las bombas
Termonucleares se miden en megatones (un megatón son 1.000
kilotones):
1 Megatón = 1000 Kilotones
1 Kilotón = 1000 Kg de T.N.T (Trinitrotolueno)
La bomba Termonuclear lanzada por Rusia en 1961 tenía una potencia
de 50 megatones.
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Video: Bomba de Hidrógeno
https://www.youtube.com/watch?v=wFAcNqlQSPc
Video: Bomba de Hidrógeno
https://www.youtube.com/watch?v=hm8gOl1g5ZU
Video: Bomba de Hidrógeno
https://www.youtube.com/watch?v=FPCgptskoho
La Bomba de neutrones o Bomba - N
Me interesa comentar este tipo de bomba para demostrar el gran
poder mortífero de los humanos.
Tras la Segunda Guerra Mundial y los estudios de los efectos
producidos, los americanos llegaron a la conclusión de que las bombas
tradicionales utilizadas producían los efectos para lo que fueron
creadas:
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 76
a) Destrucción de infraestructuras (edificios, puentes, centrales
eléctricas, pantanos, puentes, etc)
b) Gran cantidad de muertes entre el personal militar y civil
Pero dichas bombas podían ser negativas en determinadas situaciones.
Supongamos que queremos tomar una ciudad. El Centro de
Operaciones mandaría primeramente a la aviación con las citadas
bombas. Más tarde la infantería, apoyada por los tanques, entraban en
la ciudad para rematar la acción de la aviación. Se encontraban con un
panorama de destrucción de edificios (muchos escombros) y gran
cantidad de cadáveres. Pero el avance era muy lento. Si no existieran
escombros por las calles los tanques avanzarían más rápidamente y la
toma de la ciudad duraría mucho menos tiempo.
Cómo se podría conseguir que no existieran escombros?
Los americanos, muy listos ellos en este campo, pensaron que se
podrían lanzar bombas que mataran a todo vicho viviente pero los
edificios y otras infraestructuras quedaran indemnes. Se pusieron a
pensar y nació la bomba deNeutrones o Bomba - N.
Dicha bomba es una pequeña arma termonucleares basada en un
proceso de radiación directa incrementada o bomba de radiación
forzada. En las bombas H normalmente el 50% de la energía liberada
se obtiene por fisión nuclear y el otro 50% por fusión. En la bomba de
neutrones se consigue hacer bajar el porcentaje de energía obtenida
por fisión a menos del 50%, e incluso se ha llegado a hacerlo de cerca
del 5%. La perdida de energía se amortiza por una gran radiación
ionizante (radiactividad), hasta 7 veces mayor que las de una bomba H.
Las radiaciones emitidas son fundamentalmente rayos X y gamma de
alta penetración. En segundo lugar, buena parte de esta radiactividad
es de mucha menor duración (menos de 48 horas) de la que se puede
esperar de una bomba de fisión.
Las consecuencias prácticas son que al detonar una bomba - N se
produce poca destrucción de estructuras y edificios, pero mucha muerte
de seres vivos (tanto personas como animales), incluso aunque estos se
encuentren dentro de vehículos o instalaciones blindadas o acorazadas.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 77
Estas bombas permiten la continuación de operaciones militares en el
área por parte de unidades al no existir escombros que impidan el
avance. Implican un efecto colateral llamado Activación neutrónica de
materiales que estén en las cercanías ampliando los efectos de la
radiación, haciendo que átomos estables se convirtieran en inestables
por el ataque de los neutrones.
Las personas o animales perderían la vida a las pocas horas del
estallido de la bomba.
Enlazar online para visualizar los videos
Video: Bomba de neutrones sobre Yemen
https://www.youtube.com/watch?v=7bujDevJ18o
Video: Israel lanza bomba de neutrones contra Yemen
https://www.youtube.com/watch?v=sUfudG95_qw
Enlaces
http://www.educarchile.cl/ech/pro/app/detalle?ID=133193
http://www.educarchile.cl/ech/pro/app/detalle?ID=133193
http://www.solociencia.com/fisica/particulas-elementales-particulas-
elementales.htm
http://encina.pntic.mec.es/jsaf0002/p32.htm
http://es.gizmodo.com/como-funciona-una-bomba-de-hidrogeno-y-por-
que-es-tan-p-1751325417
https://www.youtube.com/watch?v=hm8gOl1g5ZU
http://internacional.elpais.com/internacional/2016/01/07/actualidad/14
52193525_759126.html
http://muyinteresantespain.blogspot.com.es/2012/11/la-bomba-que-
destruye-al-hombre-sin.html#.VpitCfnhDIU
http://www.siglo21info.com/1945-1989/militaris/armas/neutrones.html
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 78
2.9.-Estructura del Núcleo Atómico
Si queremos dar explicaciones sobre las propiedades del Núcleo
Atómico así como de su comportamiento debemos distribuir los
nucleones dentro del mismo, es decir, establecer una estructura
nuclear. Existen dos modelos teóricos que intentan establecer el
ordenamiento interior del Núcleo:
a) El modelo de Capas
b) El modelo de la Gota Líquida
2.9.1.- Modelo de Capas
Distribuye los nucleones de una forma parecida a como están
distribuidos los electrones en la Corteza Electrónica. Se trata de un
modelo "cuántico" (como los números cuánticos semejantes a los
conocidos) en donde los nucleones se situarían en niveles energéticos.
En las capas inferiores se encontrarían los nucleones con menor
contenido energético, los correspondientes a los que establecen
Interacciones Débiles. En las capas superiores los causantes de las
interacciones Fuertes.
La observación experimental de espectros nucleares de rayos γ
semejantes a los espectros de líneas atómicos, así como la existencia de
núcleos estables cuyo número de nucleones correspondería a una
estructura de capas completas, constituyen los principales argumentos
en favor de este modelo de la arquitectura interna del núcleo.
Por analogía con la situación en las capas electrónicas del átomo se
supone que los núcleos con capas exteriores nucleónicas llenas
deberían ser más estables que los que no tienen ocupadas las capas
exteriores. La teoría más sencilla indica que los núcleos con 2, 8, 20,
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 79
40, 70 o 112 protones o neutrones serían estables (Números mágicos).
Sin embargo, ello no encajaba con la observación. La física Maria
Goeppert Mayer tuvo en cuenta el espín de protones y neutrones y
encontró que los núcleos con 2, 8, 20, 28, 50, 82 o 126 protones o
neutrones serían particularmente estables.
Para casi todos los núcleos con A (Número Másico) impar en estado
fundamental (estado de energía más bajo) el modelo proporciona
resultados que concuerdan con los valores experimentales para
propiedades como, por ejemplo, el espín, y resultados aproximados
para otras propiedades como el momento dipolar magnético.
2.9.2.- Modelo de la Gota Líquida
Las fuerzas nucleares darían lugar a una configuración semejante a la
gota de un líquido que en su estado de más baja energía adopta una
geometría esférica. Es el modelo más simple y describe el núcleo como
una colección fuertemente empaquetada y en donde las partículas
apenas tienen espacio entre ellas. Donde la densidad es igual en todas
partes del núcleo y existe una superficie que actúa como frontera. Es
decir, el modelo supone que el núcleo tiene un comportamiento similar
al de una gota de líquido incompresible. Los nucleones en el núcleo
jugarían el mismo papel que las moléculas de la gota. Funciona con
propiedades características del tamaño nuclear y predice la estabilidad
de los núcleos.
Esta gota de líquido puede oscilar cambiando su forma si recibe una
cantidad de energía adicional. Los estados excitados de los núcleos se
corresponderían con estas configuraciones deformadas respecto de la
fundamental. Para excitaciones suficientemente grandes, la oscilación
de la gota podría dar lugar a su fragmentación en dos, lo que
explicaría el mecanismo de la fisión nuclear.
EL NÚCLEO ATÓMICO
Antonio Zaragoza López Página 80
Este modelo nace como consecuencias de datos experimentales que
necesitan complicados cálculos matemáticos (ecuaciones matemáticas)
para su explicación.
Enlaces
http://www.fisicanet.com.ar/quimica/estructura_atomica/ap10_nucleo_
atomico.php
http://cuentos-cuanticos.com/2014/05/04/el-nucleo-atomico-y-sus-
modelos/
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Antonio Zaragoza López
